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更大、更稳定、更高效!全新制造技术或将改写钙钛矿光伏电池历史

发表于:2021-01-28 16:16:45     来源:科创板日报

来自冲绳科学技术大学院大学(OIST)的研究人员通过使用一种新制造技术,创造了稳定性和效率都更高的钙钛矿太阳能组件。他们的研究结果已于本月25日发表在了《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)杂志上。

 


 

钙钛矿是下一代太阳能技术最有前途的材料之一,其效率在数十年间从3.8%一路飙涨至现在的25.5%。钙钛矿太阳能电池生产成本低廉,而且具有柔性的潜力,增加了它们的多功能性。但是在它商业化的道路上仍然有两个关键障碍,即缺乏长期稳定性和难以扩大规模。

“钙钛矿材料很脆弱,容易分解,这意味着太阳能电池在很长一段时间内难以保持高效率,”该研究第一作者Tong Guoqing博士说,“尽管小型钙钛矿太阳能电池效率很高,性能几乎和硅电池一样好,但一旦扩大到更大的太阳能组件,效率就会下降。”

具体而言,在一个功能太阳能器件中,钙钛矿层位于中心,夹在两个传输层和两个电极之间。当活性钙钛矿层吸收阳光时,它产生电荷载流子,然后通过传输层流向电极并产生电流。

然而,钙钛矿层中的针孔和单个钙钛矿颗粒之间边界处的缺陷会干扰载流子从钙钛矿层到输运层的流动,降低效率。湿度和氧气也会开始降解这些缺陷处的钙钛矿层,从而缩短器件的寿命。

研究人员进一步解释称,“扩大规模是具有挑战性的,因为随着模块尺寸的增加,很难产生均匀的钙钛矿层,这些缺陷也会变得更加明显。我们想找到一种制造大型模块的方法来解决这些问题。”

目前,大多数太阳能电池都仅有一层厚度为500纳米的钙钛矿薄膜。尽管理论上,该薄膜越薄,其效率就会越高,因为载流子到达上下传输层的距离更短。但当制造更大的模块时,研究人员发现薄膜通常会产生更多的缺陷和针孔。

因此,他们选择制作了5×5和10×10平方厘米的太阳能电池组件,其中含有两倍厚度的钙钛矿薄膜。不过挑战也随之而来:钙钛矿是一类通常由许多化合物作为溶液反应,然后让它们结晶而形成的材料。但在实际操作中,研究人员发现,结晶步骤很快且不可控,因此厚膜中含有许多小晶粒,晶界较多。

 


 

因此,研究人员加入了氯化铵来增加铅碘的溶解度(碘铅是用来形成钙钛矿结构的前体材料之一)。这也允许铅碘更均匀地溶解在有机溶剂中,从而形成更均匀的钙钛矿薄膜,具有更大的颗粒和更少的缺陷。随后,再将氨从钙钛矿溶液中去除,降低了钙钛矿膜内的杂质水平。

总体而言,尺寸为5 × 5平方厘米的太阳能组件的效率为14.55%,高于不使用氯化铵的组件的13.06%,并且可以在两个月内工作1600小时,效率超过80%。较大的10 x 10平方厘米模块的效率为10.25%,并可以在超过1100小时(约46天)的时间内保持高效率。

这项工作得到了OIST技术开发和创新中心的概念验证项目的支持。这一进步为钙钛矿光伏组件提高效率和稳定性、达到商业规模,以及赶上其“硅前辈”都奠定了扎实的基础。在下一步的研究中,该团队计划进一步优化他们的技术,使用蒸汽基方法制造钙钛矿型太阳能组件,而不是使用溶液,目前正试图扩大到15 x 15平方厘米的组件。

责任编辑:肖舟

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