新型全无机钙钛矿太阳能电池技术的光明前景

2018-12-27 10:32:18
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利用来自太阳系中心发出巨大能量的太阳能,是实现可持续能源供应的关键目标之一。

光能可以使用称为太阳能电池的电子设备直接转换为电能。迄今为止,大多数太阳能电池都是由硅制成的,这种材料非常善于吸收光线。但硅面板的生产成本很高。

科学家们一直在研究一种由钙钛矿结构制成的替代品。真正的钙钛矿是一种在地球上发现的矿物质,由钙,钛和氧以特定的分子排列组成。具有相同晶体结构的材料称为钙钛矿结构。

钙钛矿结构作为太阳能电池的光捕获活性层工作良好,因为它们有效地吸收光,但比硅便宜得多。它们也可以使用相对简单的设备集成到设备中。例如,它们可以溶解在溶剂中并直接喷涂到基材上。

由钙钛矿结构制成的材料可能会彻底改变太阳能电池器件,但它们具有严重的缺点:它们通常非常不稳定,在暴露于热量时会恶化。这阻碍了他们的商业潜力。

由Yabing Qi教授领导的冲绳科学技术研究生院(OIST)的能源材料和表面科学部门开发出使用新型钙钛矿材料的设备,该材料稳定,高效且相对便宜,为生产铺平了道路因为它们在明天的太阳能电池中的应用。他们的工作最近发表在Advanced Energy Materials上。博士后学者贾良博士和刘宗浩博士为这项工作做出了重要贡献。

这种材料有几个关键特征。首先,它是完全无机的 - 一个重要的转变,因为有机成分通常不耐热并且在加热下会降解。由于太阳能电池在阳光下会变得非常热,因此热稳定性至关重要。通过用无机材料代替有机部件,研究人员使钙钛矿太阳能电池更加稳定。

“在光照300小时后,太阳能电池几乎没有变化,”该报的作者Zonghao Liu博士说。

然而,全无机钙钛矿太阳能电池往往比有机 - 无机杂化物具有更低的光吸收。这是第二个特征的来源:OIST研究人员用锰掺杂新细胞以改善其性能。锰改变了材料的晶体结构,提高了其光捕获能力。

“就像你在一道菜中添加盐来改变它的味道一样,当我们添加锰时,它会改变太阳能电池的性质,”刘说。

第三,在这些太阳能电池中,在太阳能电池和外部电线之间传输电流的电极由碳制成,而不是由通常的金制成。这种电极显着更便宜且更容易生产,部分原因是它们可以直接印刷到太阳能电池上。另一方面,制造金电极需要高温和专业设备,例如真空室。

在钙钛矿太阳能电池变得像硅太阳能电池一样具有商业可行性之前,仍然存在许多挑战需要克服。例如,虽然钙钛矿太阳能电池可以使用一到两年,但硅太阳能电池可以使用20年。

Qi和他的同事们继续研究这些新电池的效率和耐用性,并且正在开发商业规模的电池制造工艺。鉴于该技术自2009年首次报道钙钛矿太阳能电池以来发展速度有多快,这些新电池的未来前景一片光明。

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