鈣鈦礦太陽能電池穩定性及發展前景

2020-11-22 電子發燒友

鈣鈦礦太陽能電池穩定性及發展前景

發表於 2018-03-01 17:14:29

鈣鈦礦太陽能電池，科學家們在最新研究中發現，一種鈣鈦礦結構的有機太陽能電池的轉化效率或可高達22.1%，為目前市場上太陽能電池轉化效率的2倍，能大幅降低太陽能電池的使用成本。

儘管研究團隊還沒有演示以新材料為原料製造的高效太陽能電池，此項研究已成為此前諸多研究強有力的補充，證明了擁有獨特晶體結構的鈣鈦礦有望改變太陽能產業的面貌。當前市場上佔主流的太陽能電池以矽和碲化鎘為材料，達到目前的轉化效率歷時10多年;而鈣鈦礦只花了短短4年時間的研究，有鑑於此，即使業界保守人士也對鈣鈦礦非常看好。

該研究的領導者、賓夕法尼亞大學能源創新研究中心聯合主任安德魯˙阿姆表示，以新式鈣鈦礦為原料製造的太陽能電池能將大約一半的太陽光直接轉化為電力，為目前的2倍，因此，只需一半太陽能電池就可提供同樣的電力，這將大大減少安裝成本，從而讓總成本顯著降低。

另外，阿姆說，與傳統太陽能電池材料不同，新材料並不需要電場來產生電流，這將減少所需材料的數量，產生的電壓也更高，從而能增加能量產出;而且，新材料也能很好地對可見光做出反應，這對太陽能電池來說意義重大。

鈣鈦礦材料現在已經應用於太陽能電池、LED、雷射器甚至催化等領域，儼然有成為「萬能材料」的趨勢。放眼望去，染料敏化太陽能電池的創始人Grätzel早早就在有機無機雜化鈣鈦礦領域搶佔了一席之地，納米大牛Paul Alivisatos（Nano Letters主編）、華人納米大牛楊培東（JACS副主編）等等在無機鈣鈦礦領域也聲名顯赫……材料領域的老師們如今見面說的最多的一句話可能就是——「你們做鈣鈦礦了沒？」貌似在材料界混，你不做鈣鈦礦就out了。今天我們解讀的文章也與鈣鈦礦有關，涉及科學家們在鈣鈦礦太陽能電池（perovskite solar cells）穩定性上的重大突破。

在短短幾年時間中，有機-無機雜化鈣鈦礦的薄膜太陽能電池已經取得了超過22%的能量轉換效率。但是，其環境穩定性和光穩定性相對較差，一直是一個技術難點。目前的較佳解決方案是利用二維Ruddlesden-Popper鈣鈦礦製備薄膜，獲得較高的穩定性。但是，該類鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率卻非常低，之前最高只有4.73%。這主要是因為兩層鈣鈦礦面板之間的有機陽離子阻擋了電荷的有效傳輸，起到絕緣空間層的作用，類似於兩層中間夾雜了絕緣體，抑制了電荷的面外傳輸。

鈣鈦礦太陽能電池

最近，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）的Aditya D. Mohite課題組製備了一種接近單晶的二維鈣鈦礦薄膜。其無機鈣鈦礦成分的晶面相對於平面太陽能電池中的觸點進行面外取向排列，有利於電荷傳輸，避免了之前二維鈣鈦礦的缺陷。未包封的二維鈣鈦礦器件，其光電轉換效率能夠在持續光照2250小時後仍保持在初始值的60%以上，而且能耐受65%的相對溼度，這些性能都大大超過了三維鈣鈦礦電池器件。當器件進行包封后，在連續光照或者潮溼環境中，效率沒有出現明顯降低。（High-efficiency two-dimensional Ruddlesden-Popper perovskite solar cells. Nature， 2016， DOI： 10.1038/nature18306）

二維鈣鈦礦的晶體結構及其薄膜的相關表徵

在製備鈣鈦礦薄膜過程中，如果用相同的二維鈣鈦礦材料，使用傳統的旋塗方法製備的器件，其效率只有3%-4%。而Mohite等人使用加熱過的基板（110 ℃左右），得到了性能更好的鈣鈦礦薄膜。研究人員認為由於在熱基板上甩膜，會形成優良的結晶，從而形成了連續的電荷傳輸通道，其電荷卻不會被絕緣層而阻擋。如下圖掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）圖像所示，明顯可以看出室溫基板上旋塗的鈣鈦礦的結晶呈現無序型，而預熱基板上旋塗的鈣鈦礦薄膜則呈現較好的結晶有序型。

GIWAXS圖像。a） 在室溫基板上旋塗的鈣鈦礦，b） 在加熱的基版上旋塗的鈣鈦礦

之後作者將該材料應用於平面異質結的光伏器件中，得到了12.51%的最高效率，其中開路電壓可以得到1.01V，這比正常三維鈣鈦礦製得的器件的開路電壓（一般是0.7-0.9V）要高。

太陽能電池的相關光伏數據

之後作者研究了不同掃描方向以及不同電壓延遲時間下電流針對電壓的變化，發現在這些例子中均沒有出現遲滯效應。隨後，作者利用電容-電壓測試探討了其沒有遲滯現象的原因。

含這種二維鈣鈦礦材料的太陽能電池的光穩定性及在潮溼環境中的穩定性相當出色，當器件進行包封后，在持續光照或者潮溼環境中（相對溼度65%），效率沒有出現任何明顯的降低（如下圖）。

太陽能電池的穩定性

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