新材料使太阳能电池更便宜，更容易制造

诸平

The solar cell with the ferrocene layer highlighted. Credit: Li et al. 2022

据英国伦敦帝国理工学院（Imperial College London）2022年4月21日提供的消息，新材料使太阳能电池更便宜，更容易制造（New Materials Enable Cheaper Solar Cells That Are Easier To Make）。这得益于伦敦帝国理工学院制造的材料，更便宜、更容易制造的新型太阳能电池设备可能很快就会进入市场。

传统的太阳能电池是由硅制成的，硅具有高效率和稳定性，但生产成本非常高，只能用刚性板制造。钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cell）提供了一个有趣的选择;它们可以用油墨印刷，成本低、薄、轻、高效、灵活。然而，它们在效率方面落后于硅太阳能电池，更重要的是在稳定性方面落后于硅太阳能电池，在正常环境下会出现故障。

被称为二茂铁（ferrocenes）的新型含金属材料可能有助于解决这些问题。中国香港城市大学(City University of Hong Kong简称CityU)的研究人员将伦敦帝国理工学院制造的二茂铁添加到钙钛矿太阳能电池中，极大地提高了它们的效率和稳定性。这项研究结果于2022年4月21日已经在《科学》（Science）杂志网站发表——Zhen Li, Bo Li, Xin Wu, Stephanie A. Sheppard, Shoufeng Zhang, Danpeng Gao, Nicholas J. Long,Zonglong Zhu. Organometallic-functionalized interfaces for highly efficient inverted perovskite solar cells. Science, 21 Apr 2022, 376(6591): 416-420 • DOI: 10.1126/science.abm8566. https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.abm8566

此项研究得到了中国广东省自然科学基金（Guandong Natural Science Foundation: 2019A1515010761）、中国香港城市大学（City University Hong Kong: 9380086, 9610421）、中国香港创新及科技基金（Innovation and Technology Fund Hong Kong: ITS/095/20）的资助。同时也得到了英国皇家学会办公室（Office of the Royal Society）和伦敦帝国理工学院的支持。

该论文的合著者之一、来自伦敦帝国理工学院化学系的尼古拉斯·朗（Nicholas J. Long）教授说:“硅电池效率高，但价格昂贵，我们迫切需要新的太阳能设备来加速向可再生能源的过渡。”稳定而高效的钙钛矿电池最终可以让太阳能应用到更多的领域——从为发展中国家供电到为新一代可穿戴设备充电。

“我们与香港同事的合作是美妙的偶然，在我做了一个关于新的二茂铁化合物的演讲，并遇到了香港城市大学的朱宗龙（ Zonglong Zhu音译）博士后，他让我寄来一些样品。几个月后，香港城市大学的团队告诉我们，结果令人兴奋，并要求我们发送更多的样本，开始了一个研究项目，该项目已经产生了更高效和更稳定的钙钛矿设备。”

二茂铁的作用（The power of ferrocenes）

钙钛矿形成了太阳能电池设备的“光收集”层。然而，与硅基太阳能电池相比，这些设备在将太阳能转化为电能方面的效率较低，主要是因为电子的“流动性”较差——它们不太能够从收集层移动到电能转换层。

二茂铁化合物的中心是铁，周围是碳环。1952年，帝国理工学院的诺贝尔奖得主杰弗里·威尔金森（Geoffrey Wilkinson）教授首次发现了二茂铁的独特结构，直到今天，世界各地仍在对二茂铁的独特性质进行研究。它们的结构赋予它们的一个特性是电子的丰富度，在这种情况下，电子可以更容易地从钙钛矿层移动到后续层，提高太阳能转化为电能的效率。

由香港城市大学团队及商业实验室进行的测试显示，钙钛矿器件在加入二茂铁层后，效率可达25%，接近传统硅电池的效率。

一石二鸟（Two birds with one stone）

但这并不是二茂铁基材料解决的唯一问题。伦敦帝国理工学院的团队一直在试验将不同的化学基团连接到二茂铁的碳环上，在向香港团队发送了几个由博士生斯蒂芬妮·谢泼德（Stephanie Sheppard）制作的样品后，合作者们发现了一种可以显著改善钙钛矿层与设备其他部分的附着性的样品。

这种额外的附加功率提高了设备的稳定性，这意味着在最高功率连续工作1500小时后，它们可以保持98%以上的初始效率。由于添加了二茂铁层，这些钙钛矿器件的效率和稳定性接近传统硅电池的当前国际标准。

来自香港城市大学的首席研究员朱宗龙博士说:“我们是第一个成功将倒立钙钛矿太阳能电池的效率提高到创纪录的25%，并通过国际电气技术委员会设置的稳定性测试的团队。”

该团队已经为他们的设计申请了专利，并希望获得许可，最终将他们的钙钛矿设备推向市场。与此同时，他们正在试验不同的二茂铁设计，以进一步提高器件的性能和稳定性。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

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Researchers Investigated the Charge Transport Perovskite Solar Cells

Next-Generation Perovskite Solar Cells That Can Take the Heat, Maintain Efficiency Demonstrated

Organometallics stabilizing perovskites

Perovskite solar cells with inverted (p-i-n) structure can have greater stability and lifetimes than conventional n-i-p structures but usually have somewhat lower power conversion efficiencies (PCEs). Li et al. report that an organometallic compound, ferrocenyl-bis-thiophene-2-carboxylate, can stabilize a multication perovskite layer of an inverted perovskite solar cells. After 1500 hours of maximum power point operation, 98% of the 25.0% PCE was maintained. The solar cell also exhibited high stability in damp heat tests. —PDS

Abstract

Further enhancing the performance and stability of inverted perovskite solar cells (PSCs) is crucial for their commercialization. We report that the functionalization of multication and halide perovskite interfaces with an organometallic compound, ferrocenyl-bis-thiophene-2-carboxylate (FcTc₂), simultaneously enhanced the efficiency and stability of inverted PSCs. The resultant devices achieved a power conversion efficiency of 25.0% and maintained >98% of their initial efficiency after continuously operating at the maximum power point for 1500 hours under simulated AM1.5 illumination. Moreover, the FcTc₂-functionalized devices passed the international standards for mature photovoltaics (IEC61215:2016) and have exhibited high stability under the damp heat test (85 ℃ and 85% relative humidity).