對鈣鈦礦太陽能電池的初步認知與了解

2021-02-25 摸魚的醬油

       1876年，英國科學家Adams等人發現，當太陽光照射硒半導體時，會產生電流。這種光電效應太陽能電池的工作原理是，當太陽光照在半導體 p-n 結區上，會激發形成空穴-電子對（激子)在p-n結電場的作用下，激子首先被分離成為電子與空穴並分別向陰極和陽極輸運。光生空穴流向p區，光生電子流向n區，接通電路就形成電流。

       Fritts在1883年製備成功第一塊硒上覆薄金的半導體/金屬結太陽能電池, 其效率僅約 1%。1954 年美國貝爾實驗室的 Pearson，Fuller和Chapin等人研製出了第一塊晶體矽太陽能電池，獲得4.5%的轉換效率, 開啟了利用太陽能發電的新紀元。此後, 太陽能技術發展大致經歷了三個階段：第一代太陽能電池主要指單晶矽和多晶矽太陽能電池，其在實驗室的光電轉換效率已經分別達到25%和20.4%；第二代太陽能電池主要包括非晶矽薄膜電池和多晶矽薄膜電池。第三代太陽能電池主要指具有高轉換效率的一些新概念電池, 如染料敏化電池、量子點電池以及有機太陽能電池等。

        在接受太陽光照射時，鈣鈦礦層首先吸收光子產生電子-空穴對。由於鈣鈦礦材激子束縛能的差異，這些載流子或者成為自由載流子，或者形成激子。而且，因為這些鈣鈦礦材料往往具有較低的載流子複合機率和較高的載流子遷移率，所以載流子的擴散距離和壽命較長。例如，的載流子擴散長度至少為100nm，而的擴散長度甚至大於。這就是鈣鈦礦太陽能電池優異性能的來源。然後，這些未複合的電子和空穴分別別電子傳輸層和空穴傳輸層收集，即電子從鈣鈦礦層傳輸到等電子傳輸層，最後被FTO收集；空穴從鈣鈦礦層傳輸到空穴傳輸層，最後被金屬電極收集，如圖2所示。當然，這些過程中總不免伴隨著一些使載流子的損失，如電子傳輸層的電子與鈣鈦礦層空穴的可逆複合、電子傳輸層的電子與空穴傳輸層的空穴的複合（鈣鈦礦層不緻密的情況）、鈣鈦礦層的電子與空穴傳輸層的空穴的複合。要提高電池的整體性能，這些載流子的損失應該降到最低。最後，通過連接FTO和金屬電極的電路而產生光電流

        鈣鈦礦電池一個顯著的特點是IV曲線的滯後（I-V hysteresis），一般從反向掃描（開路電壓－短路電流）得到的曲線比正向掃描（短路電流－開路電壓）看起來好很多。目前比較合理的解釋是：鈣鈦礦材料具有很強的鐵電性能（ferroelectricity）以及巨大的介電常數，導致電池的低頻電容很大（可通過阻抗譜看到），比其他任何一種光伏電池都顯著。正向掃描時光照產生的電流向電容充電，損耗了一部分光電流，所以得到的IV曲線電流要小一些。而反向掃描（一般從1V或者1.2V開始）相當於是提前給電容充了電，在掃描過程中電容不斷放電，所以測的的光電流看上去增大了。正反向掃描的充電／放電電流可以在改變電壓後的瞬態電流測試中清晰看到，它直接導致了IV曲線的滯後。當掃描速度極慢，充放電流的瞬態影響被消除的情況下，IV曲線滯後可以被消除。所以，目前很多文章的電池效率嚴格說來時不準確的。從反向掃描以及快速掃描都可能導致電池的實際效率被高估甚至嚴重高估。對此牛津的Snaith教授已經在Nature的一篇commentary上說過這個問題了。

作者：知乎用戶

連結：https://www.zhihu.com/question/23341581/answer/42649422

來源：知乎

作者：知乎用戶

連結：https://www.zhihu.com/question/23341581/answer/34939338

來源：知乎

相關焦點

  • 鈣鈦礦太陽能電池優缺點
    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。
  • 鈣鈦礦太陽能電池結構及原理
    雖然現在每年光伏產業產能的90%以上都來自晶矽電池，但是由於鈣鈦礦太陽能電池的優良特性眾多，越來越多的人對它青睞有加，源源不斷的人力、物力都投入到了相關研究當中，鈣鈦礦太陽能電池巨大的魅力也逐漸展現在了人們面前。有趣的是，鈣鈦礦太陽能電池中並沒有鈣元素，也沒有鈦元素。其實，它得名於其中的吸光層材料：一種鈣鈦礦型物質。
  • 綜述:無機-有機鈣鈦礦材料在新型薄膜太陽能電池中的應用
  • 太陽能電池材料新突破:鈣鈦礦太陽能電池
    太陽能電池材料新突破：鈣鈦礦太陽能電池 學術頭條 發表於 2020-11-30 13:56:21 當前，大多數常用的太陽能電池都是以矽材料為基礎製成的，因為矽這種材料可以將太陽能轉化為清潔的電能
  • 鈣鈦礦太陽能電池圖鑑——2018年度ESI高被引論文中的鈣鈦礦太陽能電池匯總
    1.提高電池效率轉換效率是衡量太陽能電池性能最重要的指標，目前用於提高鈣鈦礦太陽能電池的方法包括界面調控、改進鈣鈦礦電池的製備工藝、電池器件結構改進和材料改進等。這篇文章將從以上三個方面，來對2018年度JACS，Angew和AM上ESI高被引論文中的鈣鈦礦太陽能電池的研究進行一個匯總，看看鈣鈦礦這匹黑馬在光伏領域研究中的表現。基於金屬銫的鈣鈦礦太陽能電池由於其優異的穩定性在光伏領域具有廣闊的應用前景。然而，無機鈣鈦礦太陽能電池中的巨大能量損失已成為影響其最終效率的重要因素。
  • 鈣鈦礦太陽能電池何以成為第三代太陽能電池?
    在過去的十年裡，關於鈣鈦礦電池的研究發展迅猛，其光電轉化效率已從初始的2.2%迅速飆升至目前的24.5%，接近矽基太陽能電池的水平。因此鈣鈦礦太陽能電池有望成為光伏領域這個舞臺上的重頭戲。鈣鈦礦太陽能電池被看作第三代太陽能電池，與傳統的太陽能電池相比有著突出的優勢。例如，第一代單晶矽太陽能電池，要求純度高達99.99%，生產過程複雜且能耗高、汙染大；第二代薄膜太陽能電池的生產能耗成本雖然有所下降，但仍需要依賴銅、銦等貴金屬，而且還伴隨有劇毒的副產物產生。
  • 鈣鈦礦太陽能電池穩定性進一步提升
    太陽能電池的工作原理是一邊接受陽光的能量一邊將其轉換成電能，因此可將太陽能電池看作是一個「光-電轉換器」。截至目前，國內外出現過不少種類的這種神奇的「轉換器」，而他們研究的是目前學術界備受重視的層狀鈣鈦礦太陽能電池。
  • 大面積鈣鈦礦太陽能電池創世界紀錄——接近產業化
    等）具有原料豐富、成本低廉、光電性質優越、可溶液加工、可低溫製備（<150℃）等特點和優勢，使得鈣鈦礦太陽能電池的製造成本有望達到目前晶體矽太陽能電池的1/3-1/5。顯著的效率和成本優勢有望推動鈣鈦礦太陽能電池在未來跨過商業化門檻，分享乃至顛覆未來的光伏市場。但是，儘管前景樂觀，仍有幾朵烏雲籠罩在鈣鈦礦太陽能電池真正走向商業化的路途上。
  • 能直能彎的太陽能電池——鈣鈦礦太陽能電池
    鈣鈦礦太陽能電池。隨著研究深入，科學家發現鈦酸鈣具有一種特殊的晶體結構，為了命名的方便，於是就把這一類具有同樣晶體結構的物質，都叫做鈣鈦礦。鈣鈦礦太陽能電池裡頭並沒有鈣和鈦，而是一些具有鈣鈦礦結構的材料。人們發現用鈣鈦礦類材料製造的太陽能電池有著很多意想不到的優點。
  • 鈣鈦礦太陽能電池:其實我不含鈣 也不含鈦
    因此，進一步提高轉換效率成為第三代太陽能電池發展的關鍵。近幾年，鈣鈦礦太陽能電池的研究不斷刷新了光電轉化效率的紀錄，目前已經超過22%了。雖然現在每年光伏產業產能的90%以上都來自晶矽電池，但是由於鈣鈦礦太陽能電池的優良特性眾多，越來越多的人對它青睞有加，源源不斷的人力、物力都投入到了相關研究當中，鈣鈦礦太陽能電池巨大的魅力也逐漸展現在了人們面前。
  • 鈣鈦礦太陽能電池:其實我不含鈣,也不含鈦
    這種材料目前已經被證明在鈣鈦礦太陽能電池中有非常好的應用潛力。等等！怎麼又來一個拗口的，鈣鈦礦太陽能電池又是什麼？第三代太陽能電池我們都知道，太陽能電池是一種可以直接把光能轉化成電能的裝置。在追求清潔能源的大背景下，它已經形成了相當大的產業規模。實際上，太陽能電池的發展過程經歷了三個階段：圖1 各類太陽能電池。
  • 鈣鈦礦太陽能電池研究進展
    太陽能光伏技術作為未來清潔能源，符合社會發展的歷史潮流和國家能源戰略的大方針，太陽能電池及其系統集成技術已在全世界範圍內引起前所未有的關注。基於全固態鈣鈦礦材料的太陽電池是當今最有前途的幾種光伏器件之一，能大幅降低太陽電池的製備成本和使用成本。
  • 朱瑞@EMN Open: 反式結構鈣鈦礦太陽能電池的研究
    近年來，在新型太陽能電池研究方向取得了系列成果，在Science、Nature Reviews Materials、Nature Energy、Nature Communications、Advanced Materials系列、Joule、《中國科學》系列等重要學術刊物上發表論文80餘篇，總引次數>8000次，H指數38（WOS）。
  • 鈣鈦礦太陽能電池研究進展總結
    2.2  高穩定性鈣鈦礦太陽能電池 由於鈣鈦礦中的有機金屬滷化物受溼度和光照的影響較大，在自然條件下易分解，會造成電池效率的快速衰減甚至失效。因此，為了實現生產具有成本效益的鈣鈦礦太陽能電池目標，製備高穩定性的鈣鈦礦太陽能電池也成為該領域未來的必然趨勢。為了解決鈣鈦礦型太陽能電池的穩定性問題，研究人員嘗試尋找其他合適的傳輸層材料來改善電池穩定性。
  • 鈣鈦礦太陽能電池的機遇與挑戰
    鈣鈦礦太陽能電池的機遇與挑戰北極星太陽能光伏網訊:「在新型太陽能電池中，鈣鈦礦太陽能電池是最有前景的。」9月10日下午，在智慧能源與綠色發展論壇上，上海科技大學教授寧志軍分享了鈣鈦礦太陽能電池的機遇與挑戰。
  • 第一屆新型太陽能電池暨鈣鈦礦太陽能電池學術研討會
    5月24日至25日，第一屆新型太陽能電池暨鈣鈦礦太陽能電池學術研討會在中國科學院物理研究所順利召開。本次會議受中國可再生能源學會光化學專業委員會的委託，由中國科學院清潔能源前沿研究重點實驗室、中科院光化學重點實驗室、北京市新能源材料與器件重點實驗室、物理所清潔能源中心和清潔能源實驗室共同承辦。
  • 鈣鈦礦太陽能電池穩定性及發展前景
    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。
  • 鈣鈦礦太陽能電池世界記錄
    為了方便大家查閱，將鈣鈦礦太陽能電池的世界記錄集中匯總，以後每天在每篇文章的文末及時更新。
  • 乾貨 詳解鈣鈦礦太陽能電池的應用
    前言有機金屬滷化物鈣鈦礦結構太陽能電池是一種以全固態鈣鈦礦結構作為吸光材料的太陽能電池，其能隙約為1.5eV消光係數高,幾百納米厚的薄膜即可充分吸收800 nm以下的太陽光, 在光電轉換領域具有重要的應用前景。鈣鈦礦太陽能電池憑藉良好的吸光性和電荷傳輸速率,以及巨大的開發潛力, 被譽為「光伏領域的新希望」。
  • 下一代鈣鈦礦太陽能電池通過嚴格的國際測試
    北極星太陽能光伏網訊:澳大利亞科學家首次生產了新一代的實驗太陽能電池，它們通過了嚴格的國際電工委員會關於熱和溼的測試標準。該研究發現是鈣鈦礦太陽能電池商業化發展的重要一步，現已發表在《科學》雜誌上。太陽能能源系統現在正處於工業和國內房屋普遍。當前大多數系統依靠矽將陽光轉化為有用的能量。