研究人员制造更高效的钙钛矿太阳能电池

多伦多大学的一组研究人员通过克服以前设计的关键限制，创造了一种具有创纪录效率的三结钙钛矿太阳能电池。

该原型代表了开发硅基太阳能电池的低成本替代品的重大进步，硅基太阳能电池是当前的行业标准。

“除了降低制造成本外，钙钛矿还为我们提供了将多层吸光材料堆叠在一起的能力，甚至在传统的硅电池之上，”Ted Sargent教授说，他最近加入了西北大学化学系和电气与计算机工程系，但在多伦多大学应用科学与工程学院维持他的实验室。

“在这项工作中，我们使用合理的设计来应对这种多层范式中可能出现的关键挑战，提高效率和耐用性。

今天的太阳能电池由单个超纯硅晶片制成，生产起来是能源密集型的。相比之下，钙钛矿太阳能电池是使用钙钛矿多晶薄膜制成的，这些薄膜以类似于印刷行业使用的低成本溶液处理技术涂覆在表面上。

通过改变这些薄膜中钙钛矿晶体的组成，可以“调整”每一层以吸收不同波长的光，从而有效地利用整个太阳光谱。这对于硅来说是不可能的，硅总是吸收相同的波长。

萨金特的团队是开发释放钙钛矿太阳能电池潜力的新方法的人之一。他们之前的工作包括两层串联细胞，但他们发表在《自然》杂志上的最新研究侧重于三层设计。

“多层电池通常被设计成具有宽带隙钙钛矿的顶层吸收最有能量的光子，这意味着短波长的高频光，朝向光谱的紫色端，”博士后研究员Zaiwei Wang说，他是新论文的四位共同主要作者之一。

“下一层将吸收中等波长，底层将吸收更长的波长。但正是在顶层，我们遇到了光诱导相分离的挑战。

该团队使用了一种称为ABX3的钙钛矿材料，它由不同物质的混合物制成 - 包括铯，铅，锡，碘，溴和一些小的有机分子。特别是顶层由混合卤化物钙钛矿组成，其溴和碘比例很高。

“在这些混合钙钛矿的光诱导相分离中发生的事情是，高频光子的轰击导致富含溴的相与富含碘的相分离，”博士后研究员Hao Chen说。

“这会导致缺陷增加和整体性能下降。

为了克服这个问题，研究小组使用详细的计算机模型来模拟改变晶体成分的效果。这项工作提出了两个变化：去除全无机钙钛矿结构的有机分子并引入元素铷。

“铷的引入抑制了光诱导的相分离问题，”另一位博士后研究员和共同主要作者Tong Zhu说。

“我们的铷/铯混合无机钙钛矿比[其他]钙钛矿材料表现出更好的光稳定性，包括铯基无机钙钛矿和广泛使用的具有类似带隙的有机 - 无机杂化钙钛矿。”

利用这些知识，该团队随后设计并构建了具有这种成分的三结电池。他们测量其效率为24.3%，开路电压为3.21伏。他们还将其送交国家可再生能源实验室进行独立认证，该实验室测量了23.3%的准稳态效率。

“过去，三结钙钛矿太阳能电池的最大效率约为20%，因此这是一个很大的改进。据我们所知，这也是首次报道的三结钙钛矿太阳能电池的认证效率，“另一位共同主要作者博士候选人Lewei Zeng说。

“以前的设计也往往会在几个小时内失去很多性能。相比之下，即使在运行 80 小时后，我们的效率仍保持了初始效率的 420%，因此在耐用性方面也是一大步。

该团队表示，尽管钙钛矿太阳能电池在商业应用中与硅竞争之前需要进一步提高性能，但最新研究显示了一条前进的道路。

“理论告诉我们，钙钛矿有能力克服硅作为材料的许多固有限制，”Zeng说。

“但这不仅仅是一个取代另一个的问题。可能有一些应用更适合钙钛矿，而有些应用硅更好，或者我们可以将它们结合起来。未来有很多令人兴奋的可能性。