作者:晋浩天 沈是 来源:光明日报 发布时间:2023/6/26 8:56:53
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太阳能电池转化效率提升有了新策略

 

如果人类和能源问题之间是一场赛跑,那么太阳能电池研究就像是百米飞人大战,小数点后的每一个数字,都是科学家争夺的焦点。一直致力于新型钙钛矿太阳能电池研究的西湖大学王睿团队,又一次在小数点后实现了突破。

日前,《自然》杂志在线发布王睿实验室最新研究成果,他们找到一种新的甲脒铅碘钙钛矿取向成核方法——加入一种叫“戊脒”的“添加剂”,就可以带来更好的结晶度、更低的缺陷,也意味着更高的光电效率和更强的稳定性,为钙钛矿太阳能电池的转化效率拓展出更大空间。

“明星材料”钙钛矿稳定性不足

关于太阳能电池,大家的第一印象是,在中国很多城市和村落随处可见的“蓝色屋顶”,那是硅太阳能电池,已出现很多年。为什么科学家们还要努力研究钙钛矿太阳能电池?

近年来,钙钛矿电池在实验室实现单片小面积的光电转化率达到25%甚至更高,堪比硅太阳能电池40年的发展速度。理论上,钙钛矿太阳能电池通过叠层方法,光电转化率可以超过40%,并且与硅太阳能电池材料相比,更轻薄、高效、低成本,甚至可以是柔性的。想象一下,未来像刷墙漆一样,在建筑物外面涂上钙钛矿太阳能电池,就能给房子供电。

但这种被科学家寄予厚望的“明星材料”,却有一个致命缺陷,即稳定性不足,在低温下形成,也容易在低温下分解,且怕水怕氧。因此王睿实验室内大部分的操作,需要在手套箱里完成,那里充入了氮气,隔绝了水和氧。

“我们的任务就是对症下药,提高钙钛矿太阳能电池的转化率和稳定性,直至它能真正进入并改变人类生活。”王睿说。

“长尾巴”戊脒有特效

当前光活性黑相甲脒铅碘钙钛矿(FAPbI3)是高效钙钛矿光伏最有前景的材料。有趣的是,从钙钛矿的“面相”,能看出它的性能。长得好的甲脒铅碘钙钛矿,呈现黑色,专业上叫“黑相”;长得不好的晶体,会呈现黄色,专业上叫“黄相”。“黑相”意味着整齐完整的钙钛矿晶体结构,电流产生时可以畅通无阻。

然而,甲脒铅碘钙钛矿晶体在形成过程中,常常会出现“黑黄相间”的现象。虽然之前的研究者已开发出一些方法以避免这样的杂糅,但甲脒铅碘钙钛矿结晶的速度太快,在数秒内就可以完成,这使得人们一直未能“看清”结晶过程中的变化机理。

如何在这个过程中控制只产生“纯黑相”的甲脒铅碘钙钛矿?

2019年,王睿团队在做钙钛矿表面二次生长研究时,就注意到一种叫“油铵碘”的物质可以帮助晶体更好地生长。“油铵碘”是一种带有“长长尾巴”的有机化合物,这个尾巴就是“烷基链”。研究团队猜测,影响晶体生长的关键可能就是“这条尾巴”。

他们选择了把三种同样带有“烷基链”的有机分子丙脒(PRD)、丁脒(BAD)、戊脒(PAD),分别添加到甲脒铅碘钙钛矿晶体生长过程中。结果发现,拥有最长“烷基链”的戊脒,果然效果最好。

2022年,王睿与合作团队在此前工作的基础上,设计了全新的表面处理策略,使钙钛矿电池可稳定工作超过2000小时,这是当时已报道的最长工作时间之一。这一次,他们通过戊脒的探索来优化结晶机制,适用于改善不同薄膜制备方案下的光伏器件性能。最终的测试数据显示,小面积器件实现了25.4%的光电转换效率,而大面积模组也实现了21.4%的第三方认证光电转换效率。

在稳定性方面,采用戊脒制造的器件在1000多小时后仍保持了初始光电转化效率的95%;在加速老化测试中,引入戊脒的器件在恒定照明下超过500小时后仍保持了82%以上。

“这仅仅是戊脒优化策略的‘第一次’成绩。”王睿说,未来它还有很大的提升空间,“这项研究更重要的意义在于方法优化和原理探索同时进行,为接下来的探索铺平了道路。”

 
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