新型钙钛矿太阳能电池的设计可以超越现有的商业技术

一种新的太阳能电池设计，使用廉价的，通用的材料，可以竞争，甚至优于传统的硅电池。

斯坦福大学和牛津大学的研究人员在10月21日的《科学》杂志上写道，利用锡和其他丰富的元素来制造新型的钙钛矿-一种比硅晶体更薄、更灵活、更容易制造的光伏晶体材料。

斯坦福大学材料科学与工程教授迈克尔·麦克吉说：“钙钛矿半导体在低成本制造高效太阳能电池方面显示出巨大的前景。” “我们设计了一种坚固的全钙钛矿设备，将太阳光转化为电能，效率为20.3%，这一速度与目前市场上的硅太阳电池相当。”

新装置由两个钙钛矿太阳能电池串联组成。 每个细胞都印在玻璃上，但同样的技术可以用来在塑料上打印细胞，McGehee补充说。

牛津大学的物理学教授亨利·斯奈思(HenrySnaith)说：“我们已经展示的全钙钛矿串联电池清楚地勾勒出了一个薄膜太阳能电池实现30%以上效率的路线图。” “这只是个开始。”

串联技术

以往的研究表明，添加一层钙钛矿可以提高硅太阳能电池的效率。 但作者说，一个由两个全钙钛矿电池组成的串联装置将更便宜，更少的能源密集建造。

斯坦福大学博士后研究人员、共同主要作者托马斯·莱滕斯说：“硅太阳能电池板的开始是通过一个温度超过3000华氏度（1600摄氏度）的过程将硅石转化为硅晶体。 “钙钛矿电池可以在实验室中用铅、锡和溴等普通材料加工，然后在室温下印在玻璃上。”

但是，建立一个全钙钛矿串联装置一直是一个困难的挑战。 主要问题是创造稳定的钙钛矿材料，能够从太阳中捕获足够的能量来产生体面的电压。

一个典型的钙钛矿电池从太阳光谱的可见部分获取光子。 高能光子可以使钙钛矿晶体中的电子跳过一个“能隙”并产生电流。

一个能隙小的太阳能电池可以吸收大多数光子，但产生非常低的电压。 具有较大能量间隙的电池产生较高的电压，但低能量光子通过它。

一个有效的串联装置将由两个理想匹配的细胞组成，共同领先的作者贾尔斯·埃佩伦说，他是牛津博士后学者，目前在华盛顿大学。

Eperon说：“能量间隙较大的电池将吸收高能光子并产生额外的电压。” “能量间隙较小的电池可以获得第一个电池没有收集的光子，并且仍然产生电压。”

较小的差距已被证明是科学家面临的更大挑战。 埃佩伦和莱滕斯一起工作，使用了锡、铅、铯、碘和有机材料的独特组合，创造了一个能量间隙小的高效电池。

埃佩隆说：“我们开发了一种新型的钙钛矿，它能吸收低能红外光，并提供14.8%的转换效率。” 然后，我们将它与由类似材料组成的钙钛矿电池结合在一起，但具有较大的能量间隙。

结果：由两个钙钛矿电池组成的串联器件，其综合效率为20.3%。

“钙钛矿有成千上万种可能的化合物，”Leijtens补充说，“但这一种效果很好，比以前任何东西都好。”

寻求稳定

钙钛矿的一个问题是稳定性。 由硅制成的屋顶太阳能电池板通常持续25年或更长时间。 但一些钙钛矿在暴露于水分或光下时会迅速降解。 在以前的实验中，用锡制成的钙钛矿被发现特别不稳定。

为了评估稳定性，研究小组对两个实验细胞进行了4天的温度为212华氏度（100摄氏度）。

作者写道：“最重要的是，我们发现我们的细胞表现出优异的热稳定性和大气稳定性，对于锡基钙钛矿来说是前所未有的。”

McGehee说：“我们的串联装置的效率已经远远超过了其他低成本半导体（如有机小分子和微晶硅）制造的最佳串联太阳能电池。” “那些看到潜力的人认识到这些结果是惊人的。

下一步是优化材料的组成，以吸收更多的光，并产生更高的电流，斯奈斯说。

他说：“钙钛矿的多功能性、低成本的材料和制造，再加上实现高效率的潜力，一旦可制造性和可接受的稳定性也得到证明，将对光伏产业产生变革。”

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