研究人员提高下一代太阳能电池材料的效率

研究人员提高下一代太阳能电池材料的效率
减少内部损耗可以为与硅电池输出相匹配的低成本钙钛矿光伏电池铺平道路。

显示为彩色单元的钙钛矿晶体
标题:此图像显示背景中的钙钛矿光伏电池，单个钙钛矿晶体显示为彩色单元。

钙钛矿是最终取代硅成为太阳能电池板首选材料的主要候选材料。它们提供了低成本、低温制造超薄、轻型柔性电池的潜力，但到目前为止，它们将阳光转化为电能的效率落后于硅和其他一些替代品。

现在，一种设计钙钛矿电池的新方法已推动该材料达到或超过当今典型硅电池的效率（通常在 20% 到 22% 之间），为进一步改进奠定了基础。

通过在钙钛矿材料上添加经过特殊处理的二氧化锡导电层，为电池中的电荷载流子提供改进的路径，并通过修改钙钛矿配方，研究人员将其作为太阳能电池的整体效率提高到 25.2%——此类材料的接近记录，使许多现有太阳能电池板的效率黯然失色。（然而，与硅相比，钙钛矿的寿命仍然明显落后，这是世界各地团队正在努力应对的挑战。）

最近麻省理工学院毕业生 Jason Yoo PhD '20、化学教授 Lester Wolfe Moungi Bawendi 教授、电气工程和计算机科学教授以及 Fariborz Maseeh 新兴技术教授 Vladimir Bulović和11麻省理工学院、韩国和格鲁吉亚的其他人。

钙钛矿是一大类材料，其定义是它们具有一种特殊的分子排列或晶格，类似于天然存在的矿物钙钛矿。有大量可能的化学组合可以制造钙钛矿，Yoo 解释说，这些材料引起了全世界的兴趣，因为“至少在纸面上，它们的制造成本比硅或砷化镓便宜得多，”其他主要竞争者之一. 这部分是因为加工和制造过程要简单得多，硅或砷化镓需要超过 1,000 摄氏度的持续高温。相比之下，钙钛矿可以在低于 200 C 的温度下进行处理，无论是在溶液中还是通过气相沉积。

钙钛矿相对于硅或许多其他候选替代品的另一个主要优势是它可以形成极薄的层，同时仍能有效地捕获太阳能。“与硅相比，钙钛矿电池具有重量轻几个数量级的潜力，”Bawendi 说。

钙钛矿具有比硅更高的带隙，这意味着它们吸收光谱的不同部分，因此可以补充硅电池以提供更高的综合效率。但即使只使用钙钛矿，Yoo 说，“我们正在证明的是，即使只有一个有源层，我们也可以达到威胁硅的效率，并有望在砷化镓的冲压距离之内。这两种技术的存在时间都比钙钛矿长得多。”

Bawendi 解释说，该团队提高材料效率的关键之一在于对构成钙钛矿太阳能电池的三明治层——电子传输层——的一层进行精确设计。钙钛矿本身与透明导电层分层，用于将电流从电池传输到可以使用的地方。然而，如果导电层直接附着在钙钛矿本身上，电子和它们的对应物，即空穴，就会在原地重新结合，没有电流流动。在研究人员的设计中，钙钛矿和导电层被一种改进的中间层隔开，该中间层可以让电子通过，同时防止复合。

这个中间的电子传输层，尤其是它连接到它每一侧的层的界面，往往是效率低下的地方。通过研究这些机制并设计一个由氧化锡组成的层，该层与相邻的层更完美地吻合，研究人员能够大大减少损失。

他们使用的方法称为化学浴沉积。“这就像在 Crock-Pot 中慢炖，”Bawendi 说。在 90 摄氏度的温度下，前体化学物质会慢慢分解，形成二氧化锡层。“该团队意识到，如果我们了解这些前体的分解机制，那么我们就会更好地了解这些薄膜的形成方式。我们能够找到合适的窗口，可以在其中合成具有理想特性的电子传输层。”

经过一系列受控实验，他们发现会形成不同的中间化合物混合物，具体取决于前体溶液的酸度。他们还确定了前体组合物的最佳点，使反应能够产生更有效的薄膜。

研究人员将这些步骤与钙钛矿层本身的优化相结合。他们在钙钛矿配方中使用了一组添加剂来提高其稳定性，之前已经尝试过这种方法，但对材料的带隙产生了不良影响，使其成为一种效率较低的光吸收剂。该团队发现，通过添加更少量的这些添加剂——不到 1%——他们仍然可以在不改变带隙的情况下获得有益效果。

Yoo 说，由此产​​生的效率提高已经使材料达到了此类材料可能具有的理论最大效率的 80% 以上。

虽然这些高效率是在微型实验室规模的设备中得到证明的，但 Bawendi 说，“我们在本文中提供的那种见解，以及我们提供的一些技巧，有可能应用于人们现在为大型设备开发的方法。规模化、可制造的钙钛矿电池，从而提高效率。”

他说，在进一步开展研究时，有两个重要的途径：继续突破更高效率的极限，并专注于提高材料的长期稳定性，目前以月为单位衡量，而硅电池则以数十年为单位。但出于某些目的，Bawendi 指出，长寿可能并不是那么重要。无论如何，许多电子设备（例如手机）往往会在几年内被更换，因此即使是寿命相对较短的太阳能电池也可能有一些有用的应用。

“我认为我们还没有这些电池，即使是对于这些短期应用，”他说。“但人们越来越接近，因此将我们在本文中的想法与其他人的想法结合起来，稳定性越来越高，可能会产生一些非常有趣的东西。”

伦敦帝国理工学院材料学讲师罗伯特·霍伊没有参与这项研究，他说：“这是国际团队的出色工作。” 他补充说：“这可能会带来更高的重现性和在实验室转化为商业化模块时实现的卓越设备效率。就科学里程碑而言，它们不仅实现了去年大部分时间钙钛矿太阳能电池的认证记录效率，而且还实现了高达辐射极限 97% 的开路电压。对于从溶液中生长的太阳能电池来说，这是一项惊人的成就。”

该团队包括韩国化学技术研究院、韩国科学技术高等研究院、蔚山国家科学技术研究院和佐治亚理工学院的研究人员。这项工作得到了麻省理工学院士兵纳米技术研究所、美国宇航局、意大利埃尼公司通过麻省理工学院能源计划、韩国国家研究基金会和国家科学技术研究委员会的支持。