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Science|钙钛矿/硅复合太阳能电池时代即将到来!可否掀起第二次太阳能狂潮?

廉价的钙钛矿材料正逐渐潜入到太阳能电池领域,这是其篡夺传统太阳能电池市场的第一步。近日,在美国材料研究学会(Materials Research Society; MRS)会议上,研究者们宣称Tandem太阳能电池的光电转换效率已经破了新的纪录。目前,他们正在非常努力、快速的克服阻碍钙钛矿商业化的稳定性差等一些问题。(Tandem意思是串联,这里的意思是将钙钛矿生长在传统的硅上,形成钙钛矿和硅串联结构的太阳能电池。有意思的是大家一定见过Tandem自行车,二者有着相似的结构形式,见图1)

Science|钙钛矿/硅复合太阳能电池时代即将到来!可否掀起第二次太阳能狂潮?

图1 Tandem自行车

早在19世纪30年代,钙钛矿作为一类普通3维结构的晶体就已经被发现。但是直到2009年日本的科学家才首次将它作为光伏材料进行研究。刚开始,钙钛矿装置的光电效率只有3.8%,远远低于晶体硅,所以刚开始不被看好。但后来,钙钛矿实现了“屌丝逆袭”,在科学家的不断努力下,光电效率一直飙升到25.3%,成为当今最热门的光电材料(商业化的太阳能电池光电效率在16%-20%)。

表1 不同类型太阳能电池的光电转换效率

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Tandem电池可以捕捉不同波长的太阳能光,因为硅倾向于吸收红光,而钙钛矿更倾向于吸收蓝光和绿光。将钙钛矿附着在硅基板上并不需要很高的花费因为原料钙钛矿太便宜了。而且在低温下,钙钛矿也可以很容易的长在硅板上。

在MRS会议上,斯坦福大学Michael McGehee报告说他和他的团队所研发的Tandem电池的效率高达23.6%(表1)。瑞士洛桑联邦理工学院Christophe Ballif报道说他们在今年7月份制备的复合结构Tandem电池的效率更是高达25.2%。McGehee预言Tandem电池光电转换效率还有空间继续提高,在未来几年有望将提升到30%。研究人员目前正通过建立更加精细的结构,例如使电池中电子-载体层结构最优以及增加涂层降低表面光反射,来进一步提高Tandem电池的光电效率。另外,华盛顿大学Giles Eperon报告说他在读博士的时候制备一种强烈吸收红光的钙钛矿电池。加入McGehee课题组之后,Eperon将吸收红光的钙钛矿材料附着在吸蓝光的钙钛矿材料上制备了双钙钛矿层的太阳能电池,并获得了20.3%的光电转换效率,虽然这没有Tandem电池的效率高,但这种方式组成的电池效率仍在不断的被刷新并急速提升。

目前,钙钛矿电池商化面临着一些问题。水汽、高温或者长时间太阳下暴晒会在数小时内引起钙钛矿的溶解或者性能衰退。针对这些问题,McGehee说通过取代有机组分-氟代甲脒铵或者元素铯可以获得优异的稳定性。通过密封保护阻碍水汽侵入后,即使在85℃的高温和85%的湿度条件下,电池工作6周后并产生性能衰减的问题。McGehee还预测说这样的一个太阳能面板可以使用超过25年。

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图2 太阳能电池板

英国Oxford Photovoltaics公司的首席技术官Christopher Case说他们已经获得了3300万美金的投资,第一款钙钛矿/硅电池产品将在2018年推出。目前,阻碍钙钛矿/硅电池商化的主要原因还是安全性问题。最高效的钙钛矿材料中包含一种高度可溶的铅-一种神经毒素,它可以进入到家庭、土壤或者水体中。将钙钛矿封装或者添加硫化物在电池周围(它可以结合或者隔离任何铅并防止其逃逸)可以作为解决方案来防止上述问题发生。而目前,这一研究领域还很少有人涉足。

若问钙钛矿多快才能市场化,首要解决的是其安全性问题。相信在不久的将来,又会掀起第二次太阳能电池狂潮!

Low-cost solar cells poised for commercial breakthrough, Robert F. Service, DOI: 10.1126/science.aal0474

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