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提高下一代太阳能电池材料效率的新方法 精选

已有 2955 次阅读 2021-3-3 11:32 |个人分类:新科技|系统分类:博客资讯

提高下一代太阳能电池材料效率的新方法

诸平

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This image shows perovskite photovoltaics in the background with individual perovskite crystals shown as the colorful units. Credits: Image: CUBE3D Graphic

据美国麻省理工学院新闻办公室戴维·钱德勒(David L. Chandler, MIT News Office2021224日提供的消息,该校研究人员提高了下一代太阳能电池材料的效率,减少内部损耗,可以为与硅电池输出匹配的低成本钙钛矿型光伏产品铺平道路。上图显示了背景中的钙钛矿光伏电池,其中单个钙钛矿晶体以彩色单位显示。 

钙钛矿是最终替代硅作为太阳能电池板首选材料的领先候选者。它们为低成本、低温制造超薄、轻巧的柔性电池提供了潜力,但到目前为止,它们在将太阳光转化为电能方面的效率已经落后于硅和其他一些替代品。现在,一种新的钙钛矿电池设计方法已经推动该材料达到或超过当今典型硅电池的效率,后者通常在20~22%的范围内,为进一步改进奠定了基础。

通过在钙钛矿材料上添加经过特殊处理的二氧化锡导电层,为电池中的载流子提供了一条改善的途径,并且通过修改钙钛矿的配方,研究人员将其作为太阳能电池的整体效率提高到25.2%,此类材料的近纪录,使许多现有太阳能电池板的效率黯然失色。不过与硅相比,钙钛矿的寿命仍显著落后,但是,世界各地的团队都在努力应对这一挑战。

最近MIT2020届博士生Jason Yoo(现在韩国化学技术研究所,Korea Research Institute of Chemical Technology)、化学教授和莱斯特·沃尔夫(Lester Wolfe)教授与芒吉·巴文迪(Moungi Bawendi),还有来自MIT电气工程和计算机科学系、化学系的研究人员以及美国乔治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)、韩国高等科学技术学院(Korea Advanced Institute of Science and Technology)、韩国蔚山国立科学技术研究所(Ulsan National Institute of Science and Technology, UNIST)、韩国成均馆大学(Sungkyunkwan University)的研究人员合作完成的新研究成果,于2021224日已经在《自然》(Nature)杂志网站发表——Jason J. YooGabkyung SeoMatthew R. ChuaTae Gwan ParkYongli LuFabian RotermundYoung-Ki KimChan Su MoonNam Joong JeonJuan-Pablo Correa-BaenaVladimir BulovićSeong Sik ShinMoungi G. Bawendi, Jangwon Seo. Efficient perovskite solar cells via improved carrier management. Nature, 2021, volume 590, pages587–593. DOI: 10.1038/s41586-021-03285-w. Published: 24 February 2021

钙钛矿是一类广泛的材料,因为它们具有与天然矿物钙钛矿类似的特定种类的分子排列或晶格这一事实而得名。可以产生钙钛矿的化学组合物种类繁多,Jason J. Yoo解释说,这些材料引起了全世界的关注,因为至少在理论上,它们的制造价格可能比硅或砷化镓便宜得多,使其成为其它主要竞争者之一。部分原因是因为加工和制造过程更加简单,对于硅或砷化镓,需要持续超过1000 ℃的热量。相反,钙钛矿可以在低于200 ℃的温度下以溶液或气相沉积的方式进行处理。

钙钛矿相对于硅或许多其他候选替代品的另一个主要优点是,它可以形成非常薄的层,同时仍然有效地捕获了太阳能。Moungi G. Bawendi说:与硅相比,钙钛矿电池具有重量轻的潜力

钙钛矿的带隙比硅高,这意味着它们吸收光谱的不同部分,因此可以补充硅电池,从而提供更高的综合效率。但是,即使仅使用钙钛矿,Jason J. Yoo表示:我们要证明的是,即使只有一个活性层,我们也可以使效率威胁到硅电池,并且有望达到砷化镓的转化效率,而且这两种技术的存在时间都比钙钛矿长得多。

Moungi G. Bawendi解释说,我们团队提高材料效率的关键之一,是对构成钙钛矿型太阳能电池的三明治结构的一层-电子传输层-进行精确的工程设计。钙钛矿本身上铺有一层透明导电层,该透明​​导电层用于将电流从电池传输到可以使用的位置。但是,如果导电层直接附着在钙钛矿本身上,则电子及其对应物(称为空穴)会在某处简单地复合,并且没有电流流动。在研究人员的设计中,钙钛矿和导电层被一种改进类型的中间层隔开,该中间层可以使电子通过,同时防止复合。

中间电子传输层,尤其是与它每一侧的层连接的界面,往往是效率低下的地方。通过研究这些机理并设计出一层由氧化锡组成的层,使其与相邻层更加完美地贴合,研究人员能够大大降低损耗。

他们使用的方法称为化学浴沉积(chemical bath deposition)。这就像在慢炖锅(Crock-Pot)中慢煮一样,Moungi G. Bawendi说。在90 ℃的水浴中,前体化学物质会缓慢分解,形成适当的二氧化锡层。研究小组意识到,如果我们了解了这些前体的分解机理,那么我们将对这些膜的形成有更好的了解。我们就能够找到合适的窗口,在其中可以合成具有理想性能的电子传输层。

经过一系列受控实验后,他们发现根据前体溶液的酸度,会形成不同的中间体化合物混合物。他们还确定了前体组合物的最佳位置,该组合物可以使反应产生更有效的膜。

研究人员将这些步骤与钙钛矿层本身的优化相结合。他们在钙钛矿配方中使用了一组添加剂来改善其稳定性,该稳定性已在之前进行过尝试,但对材料的带隙影响不佳,从而使其吸收剂的效率降低。研究小组发现,通过添加较少量的这些添加剂(<1%),它们仍然可以在不改变带隙的情况下获得有益的效果。

Jason J. Yoo说,由此带来的效率提高已经使这种材料的理论效率达到了该材料所能达到的理论最大效率的80%以上。尽管这些高效率在小型实验室规模的设备中得到了证明,但Moungi G. Bawendi说:我们在论文中提供的这种见解,以及我们提供的一些技巧,有可能应用于人们目前正在开发的大规模、可制造钙钛矿电池的方法,从而提高效率。”他说,在进一步开展研究时,有两个重要途径:继续努力提高效率,并专注于提高材料的长期稳定性,与硅电池几十年来相比,目前这种材料的使用寿命为数月。但是,Moungi G. Bawendi指出,出于某些目的,长寿不一定那么重要。无论如何,许多电子设备,例如手机,无论如何都倾向于在几年内被更换,因此即使对于寿命相对较短的太阳能电池,也可能会有一些有用的应用。

他说:即使对于这类短期应用,我认为我们还没有这些电池。” “但是人们之间的距离越来越近,交流越来越便捷,因此将我们在本文中提出的想法与其他人在提高稳定性方面所拥有的想法结合起来,可能会带来一些真正有趣的事情。

英国伦敦帝国学院(Imperial College London)材料讲师罗伯特·霍伊(Robert Hoye),他并非参与此研究,他说:这是国际团队的出色工作。” 他补充说:这可能会带来更高的可重复性,并在实验室中实现商业化模块,从而实现出色的设备效率。就科学的里程碑而言,它们不仅实现了2020年大部分时间钙钛矿太阳能电池的认证记录,而且还实现了高达辐射极限的97%的开路电压。对于从溶液中生长的太阳能电池而言,这是一个了不起的成就。

该小组的成员包括韩国化学技术研究院,韩国高级科学技术研究院,蔚山国立科学技术研究院和佐治亚理工学院的研究人员。这项工作得到了麻省理工学院士兵纳米技术研究所(MIT’s Institute for Soldier Nanotechnology),美国国家航空航天局(NASA),意大利公司(Eni SpA)通过MIT能源计划(MIT Energy Initiative)的支持,韩国国家研究基金会和韩国国家科学技术委员会(National Research Council of Science & Technology)的支持下进行的。上述介绍仅供参考,更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道


Abstract

Metal halide perovskite solar cells (PSCs) are an emerging photovoltaic technology with the potential to disrupt the mature silicon solar cell market. Great improvements in device performance over the past few years, thanks to the development of fabrication protocols1,2,3, chemical compositions4,5 and phase stabilization methods6,7,8,9,10, have made PSCs one of the most efficient and low-cost solution-processable photovoltaic technologies. However, the light-harvesting performance of these devices is still limited by excessive charge carrier recombination. Despite much effort, the performance of the best-performing PSCs is capped by relatively low fill factors and high open-circuit voltage deficits (the radiative open-circuit voltage limit minus the high open-circuit voltage)11. Improvements in charge carrier management, which is closely tied to the fill factor and the open-circuit voltage, thus provide a path towards increasing the device performance of PSCs, and reaching their theoretical efficiency limit12. Here we report a holistic approach to improving the performance of PSCs through enhanced charge carrier management. First, we develop an electron transport layer with an ideal film coverage, thickness and composition by tuning the chemical bath deposition of tin dioxide (SnO2). Second, we decouple the passivation strategy between the bulk and the interface, leading to improved properties, while minimizing the bandgap penalty. In forward bias, our devices exhibit an electroluminescence external quantum efficiency of up to 17.2 per cent and an electroluminescence energy conversion efficiency of up to 21.6 per cent. As solar cells, they achieve a certified power conversion efficiency of 25.2 per cent, corresponding to 80.5 per cent of the thermodynamic limit of its bandgap.




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