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太陽能電池轉化效率提升有了新策略 控制晶體生長方向是關鍵

發布時間:2023-06-26 09:59:00來源: 光明日報

  如果人類和能源問題之間是一場賽跑,那么太陽能電池研究就像是百米飛人大戰,小數點后的每一個數字,都是科學家爭奪的焦點。一直致力于新型鈣鈦礦太陽能電池研究的西湖大學王睿團隊,又一次在小數點后實現了突破。

  日前,《自然》雜志在線發布王睿實驗室最新研究成果,他們找到一種新的甲脒鉛碘鈣鈦礦取向成核方法——加入一種叫“戊脒”的“添加劑”,就可以帶來更好的結晶度、更低的缺陷,也意味著更高的光電效率和更強的穩定性,為鈣鈦礦太陽能電池的轉化效率拓展出更大空間。

  “明星材料”鈣鈦礦穩定性不足

  關于太陽能電池,大家的第一印象是,在中國很多城市和村落隨處可見的“藍色屋頂”,那是硅太陽能電池,已出現很多年。為什么科學家們還要努力研究鈣鈦礦太陽能電池?

  近年來,鈣鈦礦電池在實驗室實現單片小面積的光電轉化率達到25%甚至更高,堪比硅太陽能電池40年的發展速度。理論上,鈣鈦礦太陽能電池通過疊層方法,光電轉化率可以超過40%,并且與硅太陽能電池材料相比,更輕薄、高效、低成本,甚至可以是柔性的。想象一下,未來像刷墻漆一樣,在建筑物外面涂上鈣鈦礦太陽能電池,就能給房子供電。

  但這種被科學家寄予厚望的“明星材料”,卻有一個致命缺陷,即穩定性不足,在低溫下形成,也容易在低溫下分解,且怕水怕氧。因此王睿實驗室內大部分的操作,需要在手套箱里完成,那里充入了氮氣,隔絕了水和氧。

  “我們的任務就是對癥下藥,提高鈣鈦礦太陽能電池的轉化率和穩定性,直至它能真正進入并改變人類生活。”王睿說。

  “長尾巴”戊脒有特效

  當前光活性黑相甲脒鉛碘鈣鈦礦(FAPbI3)是高效鈣鈦礦光伏最有前景的材料。有趣的是,從鈣鈦礦的“面相”,能看出它的性能。長得好的甲脒鉛碘鈣鈦礦,呈現黑色,專業上叫“黑相”;長得不好的晶體,會呈現黃色,專業上叫“黃相”。“黑相”意味著整齊完整的鈣鈦礦晶體結構,電流產生時可以暢通無阻。

  然而,甲脒鉛碘鈣鈦礦晶體在形成過程中,常常會出現“黑黃相間”的現象。雖然之前的研究者已開發出一些方法以避免這樣的雜糅,但甲脒鉛碘鈣鈦礦結晶的速度太快,在數秒內就可以完成,這使得人們一直未能“看清”結晶過程中的變化機理。

  如何在這個過程中控制只產生“純黑相”的甲脒鉛碘鈣鈦礦?

  2019年,王睿團隊在做鈣鈦礦表面二次生長研究時,就注意到一種叫“油銨碘”的物質可以幫助晶體更好地生長。“油銨碘”是一種帶有“長長尾巴”的有機化合物,這個尾巴就是“烷基鏈”。研究團隊猜測,影響晶體生長的關鍵可能就是“這條尾巴”。

  他們選擇了把三種同樣帶有“烷基鏈”的有機分子丙脒(PRD)、丁脒(BAD)、戊脒(PAD),分別添加到甲脒鉛碘鈣鈦礦晶體生長過程中。結果發現,擁有最長“烷基鏈”的戊脒,果然效果最好。

  2022年,王睿與合作團隊在此前工作的基礎上,設計了全新的表面處理策略,使鈣鈦礦電池可穩定工作超過2000小時,這是當時已報道的最長工作時間之一。這一次,他們通過戊脒的探索來優化結晶機制,適用于改善不同薄膜制備方案下的光伏器件性能。最終的測試數據顯示,小面積器件實現了25.4%的光電轉換效率,而大面積模組也實現了21.4%的第三方認證光電轉換效率。

  在穩定性方面,采用戊脒制造的器件在1000多小時后仍保持了初始光電轉化效率的95%;在加速老化測試中,引入戊脒的器件在恒定照明下超過500小時后仍保持了82%以上。

  “這僅僅是戊脒優化策略的“第一次”成績。”王睿說,未來它還有很大的提升空間,“這項研究更重要的意義在于方法優化和原理探索同時進行,為接下來的探索鋪平了道路。”

  (本報記者 晉浩天 本報通訊員 沈是)

(責編:李雅妮)

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