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我国科学家刷新反型钙钛矿电池效率记录 为相关领域研究开辟方向
2022-02-02 16:31:07 来源:中国科学报 编辑:


表面硫化及能带弯曲示意图   受访者供图

另一位审稿人则认为:(该研究)突破了反型器件效率低,这一长期困扰钙钛矿电池发展的瓶颈问题,为钙钛矿电池研究开辟了新的思路与方向。

有望实现低成本光伏发电

在全球气候变化和“双碳”目标下,光伏技术发展受到世界各国的广泛重视。钙钛矿太阳能电池成本低、效率高,被认为是最有希望实现低成本发电的新型光伏技术之一。

钙钛矿型太阳能电池(perovskite solar cells)是利用钙钛矿型“有机—金属卤化物杂化”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,也被称作新概念太阳能电池。

“钙钛矿电池分为正型N-I-P电池和反型P-I-N电池。相对正型钙钛矿,反型钙钛矿电池有其自身优势,可低温制备、工艺简单、稳定性好,同时能和晶硅电池兼容,实现叠层电池的制备。反型钙钛矿/晶硅叠层是钙钛矿电池商业化应用的路径之一。”方俊锋告诉《中国科学报》。

此外,反型钙钛矿电池无需使用具有光催化活性的TiO2以及掺杂的有机空穴传输层,光照下的输出稳定性更好,因此更具发展潜力。

“尽管反型器件具有诸多优势,但目前高效率的钙钛矿电池基本上都是正型器件。正型钙钛矿电池效率已达到25%,而反型钙钛矿电池的最高效率仍维持在22%~23%。”方俊锋说,“因此,如何缩小正反型器件效率差距,实现高效稳定反型器件的制备,一直是钙钛矿电池研究领域的焦点和难点问题。”

电池效率创新高

经过反复实验论证,该课题组采用构筑表面异质结,提高器件内建电场的思路,首先在钙钛矿表面旋涂上吡啶-2-羧酸铅制备富铅层,随后用高反应活性的六甲基二硅硫醚进行硫化,原位形成PbS-I层,实现钙钛矿表面费米能级的上移和能带弯曲,从而在钙钛矿界面处引入额外背场,构建出高效的界面异质结,在抑制界面复合的同时,还显著提高器件开路电压。

基于此方法,研究人员用稳定性好的含羧酸基团聚噻吩衍生物作为空穴传输层,富勒烯衍生物PCBM作为电子传输层,首次将反型钙钛矿电池的转化效率提高到24%以上。

“通过构筑性能优异的界面异质结,使钙钛矿表面的费米能级上移,从而在界面处引入一个额外电场,抑制界面复合,是实现反型电池高效率的主要原因。”该论文第一作者李晓冬对《中国科学报》说。

瞄准“双碳”融合创新

除了提高反型钙钛矿电池的转化效率,该研究还实现了电池稳定性的大幅提升。

“对于所有太阳能电池来说,没有稳定性就无法实际应用。”李晓冬说,“对钙钛矿电池来说,稳定性格外重要,这也是目前制约钙钛矿电池走向商业化的瓶颈。”

在研究中他们发现,Pb-S键强度远高于钙钛矿中的Pb-I键,可以有效抑制老化过程中钙钛矿的衰减,同时Pb-S与钙钛矿的晶格参数接近,能够进一步稳定钙钛矿的晶体结构,从而实现电池稳定性的大幅提升。实验表明,利用Pb-S键,电池经过2200小时的高温(85 oC)加速老化,效率可以保持在初始值的91.8%。光照下(55 oC±5 oC),经过1000小时的连续最大功率输出加速老化测试,效率也能稳定在初始值的90%以上。

“这为反型钙钛矿电池研究提供了一个新的思路与方向。” 方俊锋说,“通过合理优化设计,完全可以实现兼具高效率和高稳定性的反型钙钛矿电池。”

钙钛矿电池作为当前最具潜力的新型光伏技术,在国家宏观政策、产业界的支持以及科研人员的配合下,极有希望走向大规模商业应用。

“未来将继续围绕高效稳定的反型钙钛矿电池深入研究,探索构建高效界面异质结的新方案,进一步提升器件效率和稳定性。”谈及这项研究的应用前景,方俊锋表示,“同时,我们也会开展一些大面积钙钛矿电池模组研究,推动钙钛矿电池走向实用化。”

相关论文信息:

https://doi.org/10.1126/science.abl5676

关键词: 科学探索 我国科学家刷新反型钙钛矿电池效率记录 为相关

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