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钙钛矿太阳能电池火到什么水平NS告诉你谜底

文章来源:未知    时间:2019-11-01
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  钙钛矿型太阳能电池(perovskite solar cells),是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池,属于第三代太阳能电池。在过去的十年里,部署太阳能电池被认为是替代传统的化石燃料最有前途的选择之一。在众多光伏器件中,钙钛矿太阳能电池(PSCs)的光电转换效率(PCE)获得了最快速度的发展。目前,PSCs的PCE与成熟的薄膜太阳能电池如铜铟硒化镓(CIGS)和碲化镉(CdTe)太阳能电池性能相当。今年以来,Science、Nature已刊发十多篇相关研究成果,无疑是NS里最热门的明星材料,连石墨烯也要甘拜下风。

  上海交通大学的杨旭东、韩礼元教授团队,报告一个解决方案处理策略,以稳定钙钛矿基异质结构。强Pb-Cl和Pb-O键形成于[CH(NH2)2]x[CH3 NH3]1−xPb1+yI3膜与富含Pb的表面和氯化石墨烯氧化层之间。所构建的异质结构可以选择性地提取光生载流子,阻止软钙钛矿中分解组分的损失,从而减少对有机电荷输运半导体的损伤。在AM1.5G太阳光,60℃下照射1000h,孔径为1.02 cm2的钙钛矿太阳能电池在最大功率点下测试后,保持了其初始效率的90%(初始值为21%)。另外,该老化装置稳定的输出效率得到了进一步认证。相关研究以“Stabilizing heterostructures of soft perovskite semiconductors”为题目,发表在Science上。

  虽然β-CsPbI3有一个有利于串联太阳能电池应用的带隙,但在实验上沉积和稳定β-CsPbI3仍然是一个挑战。上海交通大学赵一新教授、洛桑联邦理工学院Michael Grätzel、M. Ibrahim Dar教授和冲绳科学技术大学戚亚冰团队获得了高结晶的β-CsPbI3薄膜,具有宽展的光谱响应和增强的相位稳定性。基于同步辐射的x射线散射发现了高度定向的β-CsPbI3晶粒,痕量的元素分析包括电感耦合等离子体质谱和飞行时间二次离子质谱-证实了它们的全无机组成。通过表面加碘化胆碱处理,进一步减轻了钙钛矿层裂纹和孔径的影响,提高了电荷载流子寿命,改善了β-CsPbI3吸收层与载流子选择接触之间的能级对准。在45±5℃的环境条件下,由处理过的材料制成的钙钛矿太阳能电池具有良好的可重复性和稳定的效率,其效率可达18.4%。相关研究以“Thermodynamically stabilized β-CsPbI3–based perovskite solar cells with efficiencies 18%”为题目,发表在Science上。

  北卡罗来纳大学教堂山分校、内布拉斯加大学林肯分校的黄劲松教授团队研究了宽带隙的铅氧盐来稳定卤化物钙钛矿表面的太阳能电池。结果表明,将卤化铅钙钛矿表面与硫酸盐或磷酸盐离子反应生成不溶性铅(II)氧盐,可以有效地稳定钙钛矿表面和大块材料,这些包覆的铅氧盐薄层通过形成牢固的化学键来增强钙钛矿薄膜的耐水性。宽禁带的铅氧盐层也通过钝化不协调的表面铅中心来降低钙钛矿表面的缺陷密度。铅氧盐层的形成增加了载体的复合寿命,使太阳能电池的效率提高到21.1%。在模拟太阳光AM 1.5 G照射,65℃下1200h,铅氧盐层稳定的封装器件在最高功率点下运行后,其初始效率维持在96.8%。

  基于全钙钛矿的多晶薄膜串联太阳能电池有潜力提供 30%的效率。然而,由于缺乏高效、低带隙的Sn-Pb混合钙钛矿太阳能电池(PSCs),全钙钛矿串联装置的性能受到了限制。美国国家能源部可再生能源实验室的Kai Zhu、Joseph J. Berry教授和托莱多大学鄢炎发教授团队报道了使用硫氰酸胍(GuaSCN)来显著改善Sn-Pb混合的低带隙(~1.25ev)钙钛矿薄膜的结构和光电性能,这种薄膜的缺陷密度降低了10倍,载流子寿命大于1µs。改进的性能能够演示单结低带隙(1.25 ev)PSCs的效率大于20%,当与更宽的带隙PSCs结合时,实现了25%效率的四结和23.1%效率的两结全钙钛矿基多晶薄膜串联太阳能电池。相关研究以“Carrier lifetimes of 1 µs in Sn-Pb perovskites enable efficient all-perovskite tandem solar cells”为题目,发表在Science上。

  碱金属阳离子在卤化钙钛矿太阳能电池中的作用还没有得到很好的理解,采用同步辐射纳米x射线荧光和互补测量。佐治亚理工学院Juan-Pablo Correa-Baena教授,麻省理工学院Tonio Buonassisi教授及加州大学圣地亚哥分校David P. Fenning教授等人发现,当加入碘化铯或碘化铷作为亚化学计量、化学计量和超化学计量的制剂时,卤化物的分布变得均匀化,其中卤化铅相对于有机卤化物前体是不同的。卤化物均匀化与长寿命的载流子衰变、空间均匀的载流子动力学(用超快显微镜观察)以及改进的光电器件性能相一致。另外发现,铷和钾在高度集中的团簇中相分离。碱金属在较低浓度时是有益的,它们使卤化物分布均匀,但在较高浓度时,它们形成具有重组活性的第二相团簇。相关研究以“Homogenized halides and alkali cation segregation in alloyed organic-inorganic perovskites”为题目,发表在Science上。

  金属卤化物钙钛矿吸收器中的软质组分在器件制造和运行过程中,经常产生铅(Pb)0和碘(I)0缺陷。这些缺陷不仅是导致器件效率下降的复合中心,而且是影响器件寿命的降解引发剂。北京大学周欢萍、孙聆东和严纯华院士课题组证明了铕离子对:Eu3+-Eu2+作为“氧化还原梭”,选择性地氧化Pb。

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