骄傲！多伦多大学三名华裔学生发明“历史级”太阳能电池！

2023-04-14 00:04

多伦多大学的一组研究人员通过克服先前设计的一个关键限制，创造了一种具有创纪录效率的历史级“三结钙钛矿”太阳能电池。

图源：多伦多大学官网

这一发明标志着“硅基太阳能电池”的低成本替代品研发的重大进步，硅基太阳能电池是当前的行业标准。

“除了降低制造成本外，钙钛矿还使我们能够将多层吸光材料堆叠在一起，甚至可以堆叠在传统的硅电池之上，”最近加入化学系的Ted Sargent教授说。

“在这项工作中，我们使用理性设计来解决可能出现的重大问题，从而提高效率和耐用性。”

今天的太阳能电池由单片超纯硅制成，生产过程中需要消耗大量能源。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，这些薄膜采用类似于印刷行业的低成本溶液加工技术涂在表面上。

通过改变这些薄膜中钙钛矿晶体的成分，每一层都可以“自行调整”以吸收不同波长的光，从而有效利用整个太阳光谱。这对硅来说是不可能的，因为它只能吸收相同波长的光。

Sargent的小组正在开发新方法来释放钙钛矿太阳能电池的潜力。他们之前的工作包括串联双层电池。

“多层电池通常被设计成使具有宽带隙钙钛矿的顶层吸收最高能的光子，即短波长的高频光，朝向光谱的紫光端，”博士后研究员Zaiwei Wang说，论文的四位共同主要作者之一。

“下一层将吸收中波长，而底层将吸收更长的波长。但正是在顶层，我们面临着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、溴和一些有机小分子。特别是顶层，由混合卤化物钙钛矿组成，其中溴和碘的比例很高。

“这些混合钙钛矿的光诱导“相分离”，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Hao Chen说，他也是论文主要共同作者。

“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：去除有机分子以获得全无机钙钛矿结构并引入元素铷。

“铷的引入抑制了光致相分离问题，”另一位博士后研究员兼共同主要作者Tong Zhu说。

“我们的铷/铯混合无机钙钛矿显示出比其他钙钛矿材料更好的光稳定性，包括铯基无机钙钛矿和广泛使用的具有相似带隙的有机-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。他们测得其效率为24.3%，开路电压为3.21伏。他们还把它送去国家可再生能源实验室进行独立认证，测得其准稳态效率为23.3%。

“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、博士生Lewei Zeng说。

“以前的设计也往往会在几个小时内出现性能下降的情况。相比之下，即使在运行420小时后，我们的效率仍能保持其初始效率的80%，因此这在耐用性方面也迈出了一大步。”

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还需要进一步提高性能，但最新研究表明了一条前进的道路。

“理论告诉我们，钙钛矿有能力克服硅作为材料的许多固有局限性，”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，而有些应用更适合硅——或者我们可以将它们结合起来。前方有许多令人兴奋的可能性。”

参考链接：

https://www.utoronto.ca/news/u-t-researchers-create-more-efficient-perovskite-solar-cell

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来源: qq