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工作寿命超过2000小时的高效甲脒基钙钛矿太阳能电池

人工智能 2021-07-16 16:15:06

太阳能电池将阳光转化为电能,长期以来一直是全球可再生能源愿景的一部分。虽然单个电池非常小,但当放大到模块时,它们可以用来给电池充电和为灯供电。如果并排放置,它们有朝一日可能成为建筑物的主要能源。但是目前市场上的太阳能电池使用硅,与更传统的电源相比,这使得它们的制造成本很高。

这就是另一种相对较新的科学材料出现的地方——金属卤化物钙钛矿。当位于太阳能电池的中心时,这种晶体结构也能将光转化为电能,但成本远低于硅。此外,基于钙钛矿的太阳能电池可以使用刚性基板和柔性基板制造,因此,除了更便宜之外,它们还可以更轻巧、更灵活。但是,为了具有现实世界的潜力,这些原型需要增加尺寸、效率和寿命。

现在,在发表在Nano Energy 上的一项新研究中,由冲绳科技研究生院 (OIST) 的 Yabing Qi 教授领导的能源材料和表面科学部门的研究人员证明,创造一种原材料钙钛矿所需的不同方式可能是这些电池成功的关键。

“钙钛矿中有一种必要的结晶粉末,称为 FAPbI 3,它形成钙钛矿的吸收层,”主要作者之一,该单位的博士后学者童国庆博士解释说。“以前,这一层是通过结合两种材料——PbI2 和 FAI 制造的。发生的反应会产生 FAPbI3。但这种方法远非完美。通常会有一种或两种原始材料的残留物,这会影响效率太阳能电池。”

为了解决这个问题,研究人员使用更精确的粉末工程方法合成了结晶粉末。他们仍然使用其中一种原材料——PbI 2——但也包括额外的步骤,其中包括将混合物加热到 90 摄氏度,并小心地溶解和过滤掉任何残留物。这确保了所得粉末的高质量和结构完美。

这种方法的另一个好处是钙钛矿的稳定性在不同温度下增加。当钙钛矿的吸收层由最初的反应形成时,它在高温下是稳定的。然而,在室温下,它从棕色变成黄色,这对吸收光线来说并不理想。即使在室温下合成的版本也是棕色的。

过去,研究人员创造了一种基于钙钛矿的太阳能电池,其效率超过 25%,可与硅基太阳能电池相媲美。但是,要将这些新的太阳能电池移出实验室,就必须在尺寸和长期稳定性方面进行升级。

“实验室规模的太阳能电池很小,”齐教授说。“每个电池的尺寸只有大约 0.1 cm 2。大多数研究人员专注于这些,因为它们更容易制造。但是,在应用方面,我们需要更大的太阳能模块。太阳能电池的寿命是“这也是我们需要注意的一点。虽然之前已经实现了 25% 的效率,但寿命最多只有几千小时。此后,电池的效率开始下降。”

使用合成的结晶钙钛矿粉末,Tong 博士与 Dae-Yong Son 博士和齐教授单位的其他科学家一起,在他们的太阳能电池中实现了超过 23% 的转换效率,但寿命超过了 2000 小时。当他们放大到 5x5cm2 的太阳能模块时,他们仍然实现了超过 14% 的效率。作为概念证明,他们制造了一种使用钙钛矿太阳能模块为锂离子电池充电的设备。

这些结果代表了朝着高效和稳定的基于钙钛矿的太阳能电池和模块迈出的关键一步,这些电池和模块有朝一日可以在实验室外使用。“我们的下一步是制造15 x 15 cm 2且效率超过 15%的太阳能模块,”Tong 博士说。“我希望有一天我们可以用我们的太阳能模块为 OIST 的一栋建筑供电。”

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