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少量金属添加是制备廉价且持久钙钛矿太阳能电池的关键

发布时间:2019-09-12 10:26:26

世界上正在寻找更好更便宜的替代能源,钙钛矿太阳能电池是未来的希望。在太阳能-电能转换效率方面,它们比任何太阳能技术提升地更快。低成本且容易制造,可以像新闻报纸一样卷对卷打印,甚至可放在传统硅太阳能电池上面来提升效率。但总所周知,它们是容易损坏的:水分、空气、热量,甚至长时间的阳光照射会使它们损坏。

目前,这些材料得到提升。在过去的几个月里,三个研究团队分别报道将少量铯添加到钙钛矿结构时,能够制备出更加稳定且高效的太阳能电池。还预判了铯加入的钙钛矿电池能够在屋顶使用几年或几十年。如此的话,“这确实是一项突破,”瑞士联邦技术研究所领导研究小组的化学家Michael Graetzel说。

钙钛矿正迅速克服其他缺点。六年前,日本研究人员制备了首个钙钛矿基太阳能电池,只能将3.8%的太阳能转化为电能,效率远低于硅和其他商业技术(Science, 15 November 2013, p. 794)。但在上个月,在这里召开了材料研究协会会议,韩国的研究人员们报道了证据表明他们最新的硅电池超过硅,效率达到创纪录的21.7%。研究者们越来越希望钙钛矿太阳能电池会很快地接近30%效率,目前主要应用的只有昂贵的砷化镓电池。“这些材料可能也会达到砷化镓电池的效率,”英国牛津大学的物理学家Henry Snaith说。

然而与砷化镓不同,钙钛矿结构由低成本的组分构成,通常包括无机元素铅和碘,还有一两种简单的有机化合物,甲基铵(MA)或formamidinium(FA)以层状分布。所需制备的化学物质不需要昂贵的高温装置或者其他太阳能电池材料需要的清洁环境。“对于钙钛矿结构电池,这些是相当重要的,”北卡罗莱纳杜克大学物理学家David Mitzi说。

钙钛矿结构电池还特别善于吸收光子。因此,电池可以做得非常薄,进一步降低成本。更薄的电池也会更加有效,当光激发的电子转移到电极时,不会阻塞在晶格缺陷处。

但“如果电池不稳定,高效率是无意义的,,”牛津大学的物理学家Giles Eperon说。所以世界各地的研究人员正在探索更稳定的钙钛矿结构。他们用铅、锡、锑、铋以及元素周期表附近的其他金属元素替换铅。他们还用溴和氯取代碘。但大多数这些改变降低材料了的效率。

但用更大的有机分子FA取代MA,会显著地提高效率。比如,2015年6月12日出版的《Science》杂志中,韩国大田市化学技术研究所化学家Sang Il Seok和他的同事报道FA-碘化铅钙钛矿太阳能电池实现了超过20%的效率。单一的FA电池或FA和MA的组合电池似乎也比纯MA-碘化铅更稳定。当把MA电池从防护箱拿出时会立即退化,从黑色变成黄色,该变化显示它们正在吸收可见光的更窄波段。FA-MA混合电池也会退化,但速度更慢:几分钟内,而不是几秒,Snaith说。

目前,一些研究小组发现,铯元素的添加似乎能够进一步稳定其他组分,并有助于保持钙钛矿结构和黑色的表面。韩国成均馆大学化学工程师Nam-Gyu Park率先描述了这个方法。发表在2015年10月21日《Advanced Energy Materials》期刊的一篇论文中,他和同事们表示用铯替换10%MA所构成的太阳能电池能够“显著”提高抗湿度和光照的能力,虽然他们没有给出具体的数字。

这些电池的最高效率为16.5%,低于最好的纯MA电池,但相关研究仍在继续。在发表于2015年12月3日的《Energy & Environmental Science》期刊的一篇论文中,Graetzel和他的同事报道了混合MA、FA和铯的钙钛矿电池效率超过21%,另一独立实验室验证了这个结果。显然,在电池稳定和高效性方面,铯是一个关键因素。“我相信该领域会继续进步,”Graetzel说。

包含铯的钙钛矿也可与硅电池配合工作,正如Snaith和他的同事在本周《Science》杂志上报道的。这种组合通常在硅层覆盖钙钛矿电池。因为材料具有不同的能带隙,能够吸收不同波长的光,能带隙是从原子上释放电子需要吸收的额外能量。能带隙为1.1电子伏(eV)的硅擅长吸收可见光谱中的红端光子。典型的MA基钙钛矿具有1.5 eV能带隙,能够吸收波长更短或更蓝的光子。这两种材料的结合能够比单独材料获得更宽的光谱和更多的能量。为了使这种重叠电池性能更好,研究人员想要通过提高钙钛矿的带隙扩大这个范围,使它们吸收更蓝的光。

Snaith领导的团队和其他研究团队已能够用溴替代部分或全部的碘。但这些改变让电池在光和热下更不稳定。目前的研究中,Snaith的团队用铯替代17%的FA。形成的溴基钙钛矿电池能够承受更长时间的光照和高温。这种电池具有17%的效率,具有能与硅配合的更宽能带隙。研究人员通过把这种材料放在19%效率的硅光电池上计算得出。他们能够创造25%效率的叠加电池。Snaith说,硅钙钛矿叠加电池的效率最终应该能够超过30%。迄今为止,类似的值已能够接近砷化镓电池,砷化镓设备如此昂贵,只能用在航天领域,他们愿意追求更高的效率。

如果铯掺杂的高效钙钛矿能够被大众接受,更美好的明天就在前方。

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