钙钛矿型太阳能电池的研究表明在可持续性方面前景广阔

2019-10-14 17:20:41

长期以来,人们一直认为太阳能是替代我们对矿物燃料的依赖的最可持续的选择,但是将太阳能转化为电能的技术必须既高效又廉价。

冲绳科技大学研究生院(OIST)能源材料和表面科学部门的科学家认为,他们已经找到了一种制造低成本高效率太阳能电池的新方法的成功秘诀。OIST的Qi Yabing教授及其团队与中国陕西师范大学的Liu Shengzhong教授合作,使用模仿天然存在的钙钛矿晶体结构的材料和化合物开发了这种细胞。他们在《自然通讯》杂志上发表的一项研究中描述了他们的技术。

在齐教授所说的“金三角”中,太阳能电池技术需要满足三个条件才能实现商业化:它们将太阳光转化为电能的转化率必须很高,必须廉价生产,并且必须具有寿命长。如今,大多数商用太阳能电池都是由晶体硅制成的,其效率相对较高,约为22%。尽管作为这些太阳能电池的原材料的硅丰富,但其加工却趋于复杂并且会增加制造成本,从而使最终产品变得昂贵。

齐教授说,钙钛矿提供了一种更实惠的解决方案。钙钛矿在2009年由日本横滨Toin大学的Tsutomu Miyasaka教授的研究团队首次用于制造太阳能电池,自此之后,它迅速地变得越来越重要。齐教授解释说:“钙钛矿细胞的研究非常有前途。仅仅九年,这些细胞的效率就从3.8%上升到23.3%。其他技术经过30年的研究才达到相同水平。” 他和他的研究小组开发的制造方法可以生产出钙钛矿型太阳能电池,其效率可与晶体硅电池媲美,但它的成本可能比制造硅太阳能电池便宜得多。

为了制造这种新电池,研究人员在钙钛矿薄膜上涂覆了透明的导电基材,该薄膜可以非常有效地吸收阳光。他们使用了一种基于气固反应的技术,在该技术中,首先在基材上涂覆一层三碘化氢铅,并掺入少量的氯离子和甲胺气体-从而可重现地制作出大型均匀的面板,每个面板由多个太阳能电池。

在开发该方法时,科学家意识到将钙钛矿层制成1微米厚可以显着提高太阳能电池的使用寿命。OIST齐教授的研究部门的博士后学者,该研究的第一作者刘宗浩博士说:“太阳能电池工作800小时后几乎没有变化。” 另外,较厚的涂层不仅提高了太阳能电池的稳定性,而且简化了制造过程,从而降低了生产成本。刘博士说:“较厚的吸收层确保了太阳能电池制造的良好可重复性,这是在现实的工业规模环境下进行批量生产的关键优势。”

齐教授及其团队现在面临的最大挑战是将他们新设计的太阳能电池的尺寸从0.1 mm2的原型增加到可能长达数英尺的大型商用尺寸的面板。这是行业可以提供帮助的地方。“实验室的发现与现实之间存在很大的差距,并且该行业并不总是愿意独自弥补这一整个差距。因此,研究人员需要在实验室之外采取更多必要的措施,并半途而废”,齐教授说。

为了迈出这一步,齐教授及其团队从OIST技术开发和创新中心的概念验证计划中获得了慷慨的资助。利用这笔资金,该团队建立了他们的新型钙钛矿太阳能电池组件的工作模型,该组件由5cm×5cm基板上的多个太阳能电池组成,其有效面积为12 cm2-,比其实验原型大得多,但比商业用途所需的要小。目的。尽管按比例放大的过程已将电池的效率从20%降低到15%,但研究人员乐观地认为,它们将能够在未来几年内改善工作方式并成功实现其商业化使用。

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