什么是双钙钛矿太阳能电池可能与硅竞争的重大事件

太阳能电池的新设计使用便宜的,通常可用的材料,可以与硅制成的常规电池相媲美,甚至超越。

科学家已经使用锡和其他丰富的元素来创造新型的钙钛矿 - 一种比硅晶体更薄,更灵活,更容易制造的光伏晶体材料。 他们在杂志上报告他们的研究 科学.

斯坦福大学材料科学与工程学教授迈克尔·麦克吉(Michael McGehee)说:“钙钛矿半导体已经显示出以低成本制造高效太阳能电池的巨大前景。 “我们设计了一个强大的全钙钛矿设备,可以将太阳光转化为电能,效率达到20.3%,这个比率与当今市场上的硅太阳能电池相当。”

双钙钛矿堆叠

新器件由两个串联堆积的钙钛矿太阳能电池组成。 每个细胞都印在玻璃上,但同样的技术可以用来在塑料上印刷细胞。

牛津大学物理学教授Henry Snaith说:“我们已经展示的全钙钛矿串联电池清楚地勾勒出了薄膜太阳能电池提供超过30效率的路线图。 “这仅仅是个开始。”


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以往的研究表明,添加一层钙钛矿可以提高硅太阳能电池的效率。 但科学家说,由两个全钙钛矿电池组成的串联装置将更便宜,能耗更低。

“硅太阳能电池板首先将硅石转化为硅晶体,其工艺温度高于华氏3,000华氏度(1,600摄氏度),”斯坦福大学的博士后学者Tomas Leijtens说道。 “钙钛矿电池可以在实验室中用常见的材料加工,如铅,锡和溴,然后在室温下印刷在玻璃上。”

一个困难的挑战

但是构建全钙钛矿串联器件一直是一个困难的挑战。 主要的问题是创造稳定的钙钛矿材料能够从太阳捕获足够的能量,以产生体面的电压。

典型的钙钛矿电池从太阳光谱的可见部分收集光子。 更高能量的光子可以使钙钛矿晶体中的电子跳过“能隙”并产生电流。

具有小能隙的太阳能电池可吸收大部分光子,但产生非常低的电压。 具有较大能隙的单元产生较高的电压,但较低能量的光子通过它。

目前在华盛顿大学的牛津博士后研究人员Giles Eperon说,一个高效的串联装置将由两个理想匹配的细胞组成。

Eperon说:“具有较大能隙的单元会吸收更高能量的光子并产生额外的电压。 “能隙较小的细胞可以收集不是由第一个细胞收集的光子,并且仍然会产生一个电压。”

稳定性问题

较小的差距已被证明是科学家面临的更大挑战。 Eperon和Leijtens通过合作,使用锡,铅,铯,碘和有机材料的独特组合,创造出一个能隙较小的高效电池。

Eperon说:“我们开发了一种吸收低能量红外光并提供14.8转换效率的新型钙钛矿。 “然后,我们将它与由相似材料组成但具有更大能隙的钙钛矿电池结合。

结果:串联装置由两个钙钛矿电池组成,组合效率为20.3%。

Leijtens说:“成千上万的钙钛矿化合物可以使用,但是这种方法效果很好,比之前的任何方法都要好。”

“粘胶”技巧生长出更大的钙钛矿太阳能电池

关于钙钛矿的一个问题是稳定性。 由硅制成的屋顶太阳能电池板通常持续25年或更长时间。 但是一些钙钛矿在暴露于潮湿或光线下会迅速降解。 在之前的实验中,发现用锡制成的钙钛矿特别不稳定。

为了评估稳定性,研究小组将两个实验细胞经受4天的212摄氏度(100摄氏度)的温度。

“最重要的是,我们发现我们的电池表现出优异的热和大气稳定性,对于锡基钙钛矿来说是前所未有的”,作者写道。

McGehee说:“我们的串联器件的效率已经远远超过了用其他低成本半导体(如有机小分子和微晶硅)制造的最好的串联太阳能电池。 “那些看到潜力的人意识到这些结果是惊人的。”

斯奈斯说,下一步是优化材料的组成,以吸收更多的光线,并产生更高的电流。

他说:“钙钛矿的多功能性,材料和制造的低成本,再加上可以实现高效率的潜力,一旦可制造性和可接受的稳定性也得到证实,将会转变为光伏行业。

该研究的合著者包括斯坦福大学,牛津大学,比利时哈瑟尔特大学和SunPreme Inc.。

资金来自石墨烯旗舰公司,勒沃胡姆基金会(Leverhulme Trust),英国工程和物理科学研究委员会,欧盟第七框架计划,《地平线2020》,美国海军研究办公室以及斯坦福大学的全球气候与能源项目。

Sumber: 斯坦福大学

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