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沙特阿卜杜拉国王科技大学将倒置结构钙钛矿电池光电转换效率提升至22.3%
2020-02-14

[据技术探索网站2020年2月10日报道]  光伏电池可从太阳光中产生能量,在应对目前的环境危机时大有裨益。钙钛矿光伏电池由金属卤化物钙钛矿半导体制成,研究人员已成功将其能量转换效率从以往的3.8%提升至25.2%,因而证明了近年来这种电池的前景非常可观。

倒置钙钛矿太阳能电池的能量转换效率不同凡响,钙钛矿也因此在下一代可低温处理的光伏技术的研发过程中成为主要竞争者。钙钛矿光伏电池有两种主要的设计原型: 所谓的规则(n-i-p)结构与倒置(p-i-n)结构。目前为止,规则结构的钙钛矿光伏电池拥有的能量转换效率最高,相比之下,倒置结构则能够运行更长的时间。

之前,有关人员发现规则结构钙钛矿光伏电池与倒置结构钙钛矿光伏电池之间的能量转换效率存在着差距。近期,阿卜杜拉国王科技大学与多伦多大学的研究人员们能够缩小这种差距。他们的论文介绍了一种新型设计策略,能够制造出运行寿命长、能量转换效率达22.3%的倒置太阳能电池,该论文发表在《自然能源》杂志上。

参与此项研究的研究员郑晓鹏(Xiaopeng Zheng)表示:“以规则结构为基础制造的钙钛矿太阳能电池须在其空穴传输材料中加入离子掺杂剂。去掉这些性质不稳定的掺杂剂,倒置光伏电池能够提升此项技术的操作稳定性。可惜的是,倒置钙钛矿光伏电池的能量转换效率明显低于规则结构的钙钛矿光伏电池(前者的效率为20.9%,后者的效率则达25.2%)。”

郑晓鹏表示,钙钛矿光伏技术要想给商业与环境带来实质性的影响,首先就要确保这些技术在运行稳定性与能量转换效率方面都能够处于领先地位。钙钛矿材料常用于制造光伏设备,他与阿卜杜拉国王科技大学以及多伦多大学的同事们合作开发出的设计策略能够通过改进这种材料的结构并提升其光电性能来实现这一目标。

郑晓鹏及其同事们在钙钛矿材料中加入了微量的具有不同链长的表面锚定烷基胺配体。如此以来,他们就能改变钙钛矿材料的部分特性,从而使得倒置结构钙钛矿光伏电池的能量转换效率比通常情况下所观察到的效率更高。

参与此项研究的另外一位研究人员易侯(Yi Hou)表示:“我们发现,在加工的过程中,仅需微量的烷基胺就足以采取一些有利途径来改变钙钛矿材料的性能,这些途径如下:(i)促进晶粒取向;(ii)抑制陷阱态密度;(iii)减少电荷载流子的非辐射复合(即损耗),与此同时,提升电荷载流子的迁移率并扩大其扩散长度;(iv)抑制钙钛矿中的离子迁移。”

与那些没有经过改性的钙钛矿薄膜相比,郑晓鹏、易侯及其同事们所采用的锚定烷基胺配体表面改性钙钛矿薄膜具有a(100)取向以及更低的陷阱态密度。此外,这些表面改性钙钛矿薄膜还提升了载流子的迁移率并扩大了扩散长度,倒置钙钛矿光伏电池的稳定能量转换效率也能达到22.3%。

参与此项研究的另一位研究人员泰德·萨金特表示:“钙钛矿光伏是一项尚不成熟的技术,该技术仍有空间来提升稳定性,缩小与其他诸如晶体硅以及无机薄膜等成熟的光伏技术之间所存在的差距。我们只用了微量的烷基胺来充当晶粒与接口改性剂,就大大缩小了倒置钙钛矿光伏电池与规则结构钙钛矿光伏电池在能源转换效率上存在的差距。”

这些研究人员发现,采用他们策略所制造出来的钙钛矿太阳能电池在模拟的AM1.5照明下可在最大功率点上工作1000小时以上,还不会损失任何功率。未来,他们所提出的设计策略能够让钙钛矿材料离满足太阳能电池商业化所需的苛刻条件更近一步。

奥斯曼·贝克尔也参与了此项研究,他表示:“在下一阶段的研究中,我们将研究生产钙钛矿光伏设备的方法,在不影响高性能与可靠性的前提下完成占地面积大的设备研发。”(国家工业信息安全发展研究中心 朱航琪

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