新工艺使效率和寿命双双提高 钙钛矿光伏电池有望“走出实验室”

太阳能电池长期以来一直是全球可再生能源愿景的一部分。虽然单个电池非常小,但当升级为模组时,它们可以用来为电池充电或为照明设备供电。但目前市场上的太阳能电池大多使用硅作为材料,这使得它们的造价相对较高。

这就是金属卤化物钙钛矿出现的原因。这种晶体结构不仅能将光转化为电能,成本也比硅低得多。此外,基于钙钛矿的太阳能电池可以用刚性和柔性的基材制作,因此除了价格便宜之外,它们还可以更轻更灵活。然而,由于其在效率、寿命等方面不如传统的太阳能电池,当前还无法将后者取代。

现在,在一项发表在《纳米能源》杂志上的新研究中,日本冲绳科学技术大学院大学(OIST)的研究人员已经证明,以不同的方式制造钙钛矿所需的一种原材料可能是这种电池冲破障碍的关键。

“钙钛矿中有一种叫做FAPbI3的晶体粉末,它形成了钙钛矿的吸收层,”该研究的主要作者之一Guoqing Tong博士解释说,“之前,这种吸收层是通过两种材料——PbI2和FAI相结合来制造的。这个反应产生了FAPbI3。但这种方法远非完美。通常会有一种或两种原始材料的剩余物,这会阻碍太阳能电池的效率。”

为了解决这个问题,研究人员用一种更精确的粉末工程方法合成了这种晶体粉末。他们仍然使用了一种原料(PbI2),但也包括了额外的步骤,其中包括将混合物加热到90摄氏度,小心地溶解并过滤掉任何残留物。这就保证了粉末的高质量和结构的完美。

这种方法的另一个好处是钙钛矿的稳定性在各种温度下都有所提高。当钙钛矿吸收层由原反应形成时,在高温下是稳定的。然而,在室温下,它会从棕色变成黄色,这对吸收光线并不理想。合成的新版本产物,即使在室温下也是棕色的。

过去,研究人员已经创造了一种钙钛矿太阳能电池,其效率超过25%,与硅基太阳能电池相当。但是,要想把这些新的太阳能电池从实验室里转移出去,就必须拥有高规格的尺寸和长期的稳定性。

“实验室规模的太阳能电池很小,”研究人员说,“每个电池的大小只有大约0.1厘米。大多数研究人员关注这些是因为它们更容易创造。但是,就应用而言,我们需要更大的太阳能组件。”

“太阳能电池的寿命也是我们需要注意的问题。虽然之前已经达到了25%的效率,但其寿命一直无法与传统太阳能电池抗衡。而且之后,电池的效率也开始下降。”他们补充道。

使用合成的晶体钙钛矿粉末后,该小组制作的太阳能电池实现了超过23%的转换效率,而且寿命超过2000小时。当他们扩大到5x5平方厘米的太阳能组件时,他们仍然实现了超过14%的效率。作为概念验证,他们制作了一个使用钙钛矿太阳能组件为锂离子电池充电的设备。

这些结果代表了朝着高效稳定的钙钛矿太阳能电池和组件迈出的关键一步,这些电池和组件有朝一日可以在实验室之外使用。

“我们的下一步是制造一个15x15平方厘米的太阳能组件,效率超过15%,”研究人员说,“我希望有一天,我们可以用我们的太阳能模块为OIST的一座建筑供电。”

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