透明或半透明钙钛矿电池或成为未来主流?

图片 3

近日,中国科学院大连化学物理研究所薄膜硅太阳电池研究组(DNL1606)研究员刘生忠团队联合陕西师范大学研究员杨栋,通过将半透明钙钛矿电池与高效硅异质结薄膜电池结合,组成光电转化效率达到27.0%的四端钙钛矿-硅叠层太阳能电池。  晶硅太阳能电池是第一代太阳能电池,经过数十年发展,技术已经非常成熟。目前,95%的光伏市场份额被晶硅太阳能电池所占据。实验室报道的最好的晶硅太阳能电池的光电转化效率已经达到26.6%,非常接近它的理论光电转化效率极限29.4%。在物理法则下,晶硅电池的效率提升之路正变得越来越窄。为了实现更高的光电转换效率,越来越多的研究开始关注将晶硅电池与其它的高效率电池组成叠层电池。  钙钛矿电池是近几年发展起来的第三代太阳能电池,它具有原料丰富、成本低、制备工艺简单、对缺陷的容忍性好等优点。目前,实验室报道的钙钛矿电池光电转换效率已超过24%。钙钛矿的结构通式是ABX3,A位通常是正一价的有机阳离子CH3NH3+、NH=CHNH3+或者无机Cs+离子等,B位通常是正二价金属阳离子Pb2+、Sn2+等。X通常是卤素阴离子I-、Br-、Cl-等。通过离子替换,钙钛矿的带隙可以在1.4到2.3
eV之间灵活调节,使它成为非常理想的叠层电池子电池材料。  叠层电池由一个高带隙子电池和一个低带隙子电池组成。低带隙子电池拓宽了太阳光光子的利用率;高带隙子电池减少了半导体捕获高能光子后电子跃迁后弛豫过程的热能损失。因此叠层电池具有比单结电池更高的极限光电转化效率。得到高效率的叠层太阳能电池的关键之一是在温和条件下制备透明电极,即在不伤害底层材料的前提下,制备兼具高导电性和高透光性的电极。  该团队使用真空热蒸发沉积薄膜的方法,以三氧化钼/金纳米网/三氧化钼“三明治结构”作为透明电极,替换掉传统钙钛矿电池中的金属背电极。制备的半透明钙钛矿太阳能电池具有18.3%的光电转化效率,这是目前使用超薄金属制备的半透明钙钛矿电池的最高效率之一。将此半透明钙钛矿太阳能电池与光电转化效率23.3%的硅异质结薄膜电池结合,得到了光电转换效率27.0%的四端叠层太阳能电池。  该项研究使用了一种简单低成本的方法制备高导电性、高透光性的透明电极,有助于推动半透明电池以及多结/叠层电池的发展,降低光伏发电的成本。相关成果发表在《先进功能材料》(Advanced
Functional
Materials)上。该工作得到国家自然科学基金、中国国家重点研究与发展计划、陕西省科技创新引导项目等的资助。

近日,我校现代工程与应用科学学院的谭海仁教授与多伦多大学的Edward
Sargent教授研究发现有偶极性的有机阳离子对有机-无机杂化钙钛矿材料的缺陷性能具有显著的影响,在钙钛矿材料中引入少量的偶极性阳离子,可以大大降低宽带隙钙钛矿太阳能电池中的非辐射复合损失,大幅提升光电转换效率。基于1.65
eV和1.75eV的宽带隙钙钛矿太阳能电池的稳态转换效率分别高达20.7%和19.1%,均是目前报道的宽带隙钙钛矿电池中的最高效率值。该工作将有望显著提升基于钙钛矿的叠层太阳能电池的转换效率,推动钙钛矿基高效率叠层光伏器件研究的新进展。该成果以《Dipolar
cations confer defect tolerance in wide-bandgap metal halide
perovskites》为题,发表在Nature
Communications上(

随着对太阳能电池的需求持续增长,消费者现在正寻求不那么突兀的方式,将其应用到建筑和汽车中。

近年来,晶体硅太阳能电池效率不断提升,几近理论极限,持续增加的空间有限。光伏系统的成本取决于电池的光电转换效率,如何继续提高太阳能电池的光电转化效率对于降低发电成本,促进太阳能电池产业的发展有着至关重要的意义。制备更低成本、更高效率的太阳能电池是未来进一步降低光伏发电成本、实现平价电网目标的关键。构筑多结太阳能电池是提升光伏器件转换效率的重要途径,结合具有低成本的钙钛矿和工艺成熟的晶体硅,则有望在已大规模应用的晶体硅太阳能电池技术上大幅提升硅电池的转率效率,实现低成本、高效率的叠层光伏组件。钙钛矿太阳能电池以其成本低、制备方法简单且转化效率高的优点,近年来在光伏研究领域独树一帜,展现出巨大的商业化潜力。

透明或半透明电池比标准的不透明硅太阳能电池提供了更大的柔软性和视觉吸引力,然而,它们相对较高的成本和较低的效率意味着它们的应用一直比较缓慢。

为了与晶体硅电池进行叠层并获得更高的光电转换效率,制备高效率的宽带隙钙钛矿太阳能电池(理想带隙约1.7
eV左右)是实现高效率叠层光伏电池的关键核心课题之一。然而在宽带隙钙钛矿材料中存在较高的缺陷态密度,导致电池的开路电压损失越大、填充因子较小,限制了宽带隙钙钛矿电池的转换效率。为了有效地降低宽带隙钙钛矿薄膜材料中由缺陷导致的非辐射复合,谭海仁教授和合作研究者展开研究,通过在相稳定的铯-甲脒二元混合阳离子钙钛矿中引入少量具有偶极性的甲胺离子,实现显著降低非辐射复合的目的。相比于无偶极矩的铯离子或偶极矩很小的甲脒离子,甲胺离子具有很大的偶极矩,而且在钙钛矿晶格中甲胺离子较容易在空间中转动,偶极子可与附近的带电陷阱中心产生静电相互作用,其较大的偶极矩可局域地对带电的陷阱中心产生静电屏蔽效应,从而减小陷阱中心对载流子的俘获截面,降低由于陷阱中心导致的非辐射复合。最终在基于1.65
eV带隙的钙钛矿电池中获得了1.22
V的开路电压和超过80%的填充因子,稳态转换效率达到20.7%;基于1.74
eV带隙的钙钛矿电池中也获得了1.25
V的开路电压和19.1%的稳定效率。这两种宽带隙钙钛矿的转换效率均是目前报道的最高值。该工作为进一步提升钙钛矿太阳能电池的效率提供了新方法,也为获得高效率钙钛矿基叠层光伏器件(比如钙钛矿-晶体硅叠层电池、钙钛矿-钙钛矿叠层电池)提供了良好的基础。

为了解决这一问题,香港理工大学(理大)的研究人员研制出一种采用石墨烯电极的半透明、高效、低成本钙钛矿太阳能电池。

图片 1

第一代硅太阳能电池由于其高稳定性和高效率的能量转换,多年来一直是光伏能源转换的支柱,但其不透明性和成本意味着,现代建筑和汽车应用正在积极寻找替代能源。

图1:引入偶极性甲胺阳离子后宽带隙钙钛矿太阳能电池的光伏性能比较,少量甲胺离子的加入可以显著提升电池的开路电压和填充因子,抑制电池的J-V迟滞现象,小面积电池转换效率高达20.7%,大面积器件效率达19.3%。

薄膜PVs(第二代太阳能电池)重量轻、柔软,但价格昂贵,因为它们是由稀有材料制成的,结构复杂,需要高温生产过程。

图片 2

现在,利用薄膜钙钛矿等材料,第三代太阳能电池正在开发中,有望在不久的将来用于商业用途,具有更高的功率转换效率、更简单的制造工艺和更低的成本。

图片 3

在这方面,理大研究人员以半透明钙钛矿为电极,并以石墨烯为电极,研制出他们自己的第三代太阳能电池。

图2:钙钛矿材料和器件的光电性能表征,偶极性甲胺阳离子的引入,可显著降低载流子的非辐射复合,从而提高钙钛矿薄膜的光致发光强度、荧光寿命和器件中载流子的复合寿命。

石墨烯非常薄,但具有高导电性和低成本,是半透明太阳能电池的理想选择,因为它允许光线从两侧被吸收。

现代工程与应用科学学院谭海仁教授与多伦多大学Edward
Sargent教授是文章的共同通讯作者,合作者加州大学伯克利分校Mark
Asta教授对本工作的理论计算给予了重要的指导。本项研究中谭海仁教授得到中组部“青年千人”及荷兰科学研究组织“Rubicon
Fellowship”等项目的资助。感谢南京大学现代工程与应用科学学院、固体微结构国家实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室的大力支持。

因此,研究人员设想这些设备可能用于窗户、百叶窗和建筑屋顶表面,从而增加收集太阳能的可用表面积。

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)

理大太阳能电池的转换效率约为12%,比一般的透明及半透明太阳能电池表现更佳。

生产成本低于每瓦0.50港元(合0.06美元)的潜力,也意味着传统硅太阳能电池的成本可以节省50%以上。

虽然石墨烯已存在十多年,本身就是一种高效率的导体,但理大的研究人员决定进一步提高石墨烯的导电性,以满足他们的特定要求。

为了做到这一点,石墨烯被涂上了一层PEDOT:PSS导电聚合物(聚(3,4-乙二氧基噻吩)聚苯磺酸酯)的铜绿KAIST的科学家们最近在可织LED纤维的生产中使用了相同的成分在层压过程中也起到了钙钛矿的粘附层的作用。

为了提高功率转换效率,研究人员发现,通过化学气相沉积的方法将石墨烯分层制成透明电极,电极的片状电阻进一步降低,而电极的特殊透明性得以保留。

最后,通过提高顶部石墨烯电极与钙钛矿薄膜空穴传输层之间的接触程度,进一步提高了器件的性能。

研究人员表示,由于石墨烯极具弹性,加上细胞制备简便,理大的装置可直接印刷或采用辊对辊工艺进行大规模生产。

通过这种方式,半透明太阳能电池很可能会在目前还没有传统不透明设备提供服务的市场上提供更多的光伏板。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

相关文章

网站地图xml地图