【第三代電池,最有希望低成本光伏發(fā)電】
在全球氣候變化和“雙碳”目標(biāo)下,光伏技術(shù)的發(fā)展受到世界各國廣泛重視。鈣鈦礦型太陽能電池(perovskite solar cells),利用鈣鈦礦型的有機(jī)—金屬鹵化物雜化半導(dǎo)體作為吸光材料,屬于第三代太陽能電池,也被稱作新概念太陽能電池。它成本低、效率高,被認(rèn)為是最有希望實(shí)現(xiàn)低成本發(fā)電的新型光伏技術(shù)之一。
類型上,鈣鈦礦電池又分為正型n-i-p電池和反型p-i-n電池。“相對正型鈣鈦礦,反型鈣鈦礦電池有其自身的優(yōu)勢。其可低溫制備、工藝簡單、穩(wěn)定性好,同時(shí)能夠和晶硅電池兼容,實(shí)現(xiàn)疊層電池的制備,”研究團(tuán)隊(duì)表示,“反型鈣鈦礦/晶硅疊層,是鈣鈦礦電池商業(yè)化應(yīng)用的路徑之一。”此外,反型鈣鈦礦電池不需使用具有光催化活性的二氧化鈦以及摻雜的有機(jī)空穴傳輸層,光照下的輸出穩(wěn)定性更好,更具發(fā)展?jié)摿Α?br />
“盡管反型器件具有諸多優(yōu)勢,但目前高效率的鈣鈦礦電池基本上都基于正型器件,其電池效率已經(jīng)達(dá)到25%,而反型鈣鈦礦電池的效率則明顯偏低,其最高效率仍維持在22—23%。”專家說,“因此,如何縮小正反型器件效率差距,實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定反型器件的制備,一直是鈣鈦礦電池研究領(lǐng)域一個(gè)焦點(diǎn)和難點(diǎn)。”
對此,研究團(tuán)隊(duì)以華東師范大學(xué)為第一單位,與中科院寧波材料所合作完成了這項(xiàng)新研究。來自物理與電子科學(xué)學(xué)院李曉冬副研究員為論文第一作者,方俊鋒教授則為論文唯一通訊作者。
【轉(zhuǎn)化效率創(chuàng)新高,但有穩(wěn)定性才有應(yīng)用】
經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)論證,課題組采用構(gòu)筑表面異質(zhì)結(jié),提高器件內(nèi)建電場的思路?;诖朔椒?,采用課題組此前報(bào)道的含羧酸基團(tuán)的聚噻吩衍生物作為空穴傳輸層,同時(shí)將富勒烯衍生物pcbm作為電子傳輸層,首次將反型鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)化效率提高到24%以上。經(jīng)權(quán)威第三方認(rèn)證,其效率也達(dá)23.5%。
“我們通過構(gòu)筑性能優(yōu)異的界面異質(zhì)結(jié),使鈣鈦礦表面的費(fèi)米能級上移,從而在界面處引入一個(gè)額外電場,抑制界面復(fù)合。這是其能實(shí)現(xiàn)反型電池高效率的主要原因。”科學(xué)家解釋說。
表面硫化(sst)以及能帶彎曲的示意圖
除了提高反型鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)化效率,該研究還實(shí)現(xiàn)了電池穩(wěn)定性的大幅提升。“對于所有太陽能電池來說,沒有穩(wěn)定性就沒有應(yīng)用。”第一作者李曉冬談到,“鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性格外重要,這是目前制約其走向商業(yè)化應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵瓶頸。”
研究發(fā)現(xiàn),通過實(shí)驗(yàn)提升,電池經(jīng)過2200小時(shí)的85攝氏度高溫加速老化,效率可以保持在初始值的91.8%。55攝氏度左右的光照下,經(jīng)過1000小時(shí)的連續(xù)最大功率輸出加速老化測試,效率也能夠穩(wěn)定在初始值的90%以上。
鈣鈦礦電池穩(wěn)定性變化曲線
可以說,通過合理優(yōu)化設(shè)計(jì),完全可以制備兼具高效率和高穩(wěn)定性的反型鈣鈦礦電池。“在國家宏觀政策、產(chǎn)業(yè)界的支持以及科研人員的配合下,鈣鈦礦電池極有希望走向商業(yè)應(yīng)用。”研究團(tuán)隊(duì)透露,“未來我們將繼續(xù)圍繞高效穩(wěn)定的反型鈣鈦礦電池深入研究,探索構(gòu)建高效界面異質(zhì)結(jié)的新方案,進(jìn)一步提升器件效率和穩(wěn)定性;還會(huì)開展一些大面積鈣鈦礦電池模組研究,推動(dòng)實(shí)用化研究。”
原標(biāo)題:這種第三代太陽能電池轉(zhuǎn)化效率創(chuàng)造出世界紀(jì)錄!中國科學(xué)家在《科學(xué)》正刊發(fā)文