使用极快的激光开发钙钛矿太阳能电池可以获得更多的电力

飞秒激光器

研究人员使用飞秒激光分析钙钛矿太阳能电池。信贷:南大新加坡

来自新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)的科学家与荷兰格罗宁根大学(University of Groningen, UG)合作,开发了一种方法来分析下一代钙钛矿太阳能电池中哪对材料将获得最多的能量。

发表在科学的进步,来自南洋理工大学的钱森哲教授和UG的马克西姆Pshenichnikov教授使用极快的激光观察钙钛矿与一种材料结合时,能量势垒是如何形成的,这种材料可以提取电荷来制造太阳能电池。

传统上,太阳能电池吸收阳光并将其转化为电荷。在这个过程中,光粒子拥有比太阳能电池中产生电荷所需的更多的能量。

这些多余的能量产生了所谓的“热”电荷,它们以热量的形式快速失去多余的能量(在1皮秒内),只留下“冷”电荷用于发电。

这种能量损失是传统太阳能电池的能量转换效率的理论极限为33%的原因。迄今为止,最好的钙钛矿太阳能电池的效率达到了25%,几乎与性能最好的硅太阳能电池不相上下。

科学家们认为,如果“热”电荷能够足够快地提取出来,那么与收获的“冷”电荷一起,就可以制造出理论上效率高达66%的“热载流子”太阳能电池。

南大沈子谦教授、乔凡尼博士、林瑞贤博士及林佳伟先生

(左起)南洋理工大学钱森教授、David Giovanni博士、Lim Swee Sien博士和Lim Jia Wei Melvin先生,使用极快激光观察钙钛矿与一种材料结合时的能量势垒形成。信贷:南大新加坡

快速提取这些热电荷的关键在于选择正确的“提取”材料与钙钛矿结合。Sum教授的团队现在已经设计出一种方法来测量哪些是最好的提取材料。

南洋理工大学物理与数学科学学院研究副主席森教授说:“我们的最新发现表明,这些电荷必须有多‘热’,才能跨越能量势垒,而不作为热量被浪费。”这突出表明,如果我们想要为更高效的太阳能电池降低能量屏障,就需要更好地将‘提取’材料与钙钛矿配对。”

钙钛矿太阳能电池相对于硅太阳能电池的主要优势是,它们便宜且易于使用普通化学实验室耗材制造,而且不需要硅那种昂贵且能源密集型的制造过程。yabovip2021

新加坡南洋理工大学的马克西姆·普申尼尼科夫(Maxim Pshenichnikov)

荷兰格罗宁根大学(UG)的Maxim Pshenichnikov教授和来自新加坡南大的科学家们开发了一种方法来分析下一代钙钛矿太阳能电池中哪对材料将获得最多的能量。信贷:南大新加坡

之前,Sum教授和他的合作者在《科学》杂志上发表了他们的发现,钙钛矿中的“热”电荷失去多余能量的速度比其他半导体要慢。研究小组随后进一步使用纳米钙钛矿来减缓这种能量损失,使其更容易提取热电荷作为电能。

在他们最新的实验中,南大和UG的科学家们使用飞秒脉冲激光“观察”太阳能电池的工作,这种激光可以测量出比照相机闪光速度快大约1000亿倍的过程。科学家们研究了产生的“热”电荷的行为,以及它们如何通过钙钛矿进入萃取材料而不将多余的能量损失为热量。

Pshenichnikov教授说:“这种高效太阳能电池可能意味着增加太阳能电池板的能源供应,而不需要更多的表面积。”

给一个独立的评价研究,博士Henk Bolink从Ciencia分子科学研究所(ICMol)符合帕洛阿尔托研究中心大学的瓦伦西亚,说除了一个合适的吸光层,太阳能电池也需要收取提取层,选择性地提取电子或空穴的两个终端单元。

“目前还不清楚电荷提取界面的成分/属性应该是什么,以允许提取“热”和“冷”电荷,”没有参与这项研究的Bolink博士说。

“在他们最近的工作中,Sum教授和Pshenichnikov教授通过展示一种能够识别这些电荷提取层的适用性的方法,阐明了这个关键的谜题。”

南洋理工大学和UG双博士项目

这一研究结果是南洋理工大学和UG之间新的合作协议的结果,其中包括提供双博士项目。

在这个双博士项目下,博士候选人将同时在南洋理工大学和UG接受培训,并在这两所大学至少学习一年。

这为博士生提供了参与开创性的合作研究、向两所大学的教授学习、获得两个博士学位的机会。

这项研究由Sum教授领导,历时两年,由10名研究人员组成的联合团队完成。

该团队目前正在寻找更好、更有效的提取材料,以提高钙钛矿太阳能电池的性能。

不需要任何技巧就能收集热电子,从而提高太阳能电池板的效率关于这项研究的更多信息。

参考文献:“CH中的热载子萃取3.NH3.PbI3.由Swee Sien Lim, David Giovanni, Qiannan Zhang, Ankur Solanki, Nur Fadilah Jamaludin, Jia Wei Melvin Lim, Nripan Mathews, Subodh mahaisalkar, Maxim S. Pshenichnikov and Tze Chien Sum, 2019年11月15日,科学的进步
DOI: 10.1126 / sciadv.aax3620

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