原型半导体薄膜在发光方面的性能甚至优于当今最好的太阳能电池材料

2019-10-14 17:41:24

太阳能电池是吸收太阳光中的光子并将其能量转换为电子的设备,从而能够产生清洁能源并提供可靠的途径来应对气候变化。但是,当今广泛使用的大多数太阳能电池都是厚,易碎和坚硬的,这限制了它们在平面上的应用,并增加了制造太阳能电池的成本。

“薄膜太阳能电池”的厚度可能是一张纸的1/100,并且具有足够的柔性以适应从空气动力学光滑的汽车到衣服的花彩表面。为了制造薄膜太阳能电池,科学家正在超越诸如砷化镓或硅之类的“经典”半导体化合物,而与其他可能更便宜且更易于批量生产的光收集化合物合作。如果这些化合物的性能与当今的技术一样好,则可以被广泛采用。

在今年春天在线发表在《自然光子学》杂志上的一篇论文中,华盛顿大学的科学家报告说,原型半导体薄膜在发光方面的表现甚至比当今最好的太阳能电池材料还要好。

共同作者兼西澳大学化学工程学教授休·希尔豪斯(Hugh Hillhouse)表示:“由于太阳能电池吸收光并将其转化为电能,这听起来可能很奇怪,但是最好的太阳能电池材料也很擅长发光。”华盛顿大学清洁能源研究所和分子工程与科学研究所。“实际上,通常它们发光的效率越高,它们产生的电压就越高。”

UW团队通过称为“表面钝化”的过程化学处理了这种材料(称为钙钛矿卤化物),从而取得了创纪录的性能,该过程可以处理缺陷并减少吸收的光子最终被浪费而不是浪费的可能性,而不是转化为有用的能量。

威斯康星大学化学系教授,中欧化学研究所首席科学家戴维·金格说:“钙钛矿太阳能电池的一个大问题是,过多吸收的太阳光最终会浪费为热量,而不是有用的电能。” “我们希望这样的表面钝化策略将有助于改善钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性。”

Ginger和Hillhouse的团队共同努力,证明钙钛矿的表面钝化可将性能急剧提升至一定水平,从而使这种材料成为薄膜太阳能电池的最佳选择。他们对多种化学物质进行了表面钝化实验,然后发现了一种有机化合物(一种缩写为TOPO的有机化合物),将钙钛矿的性能提高到了接近最佳砷化镓半导体的水平。

联合首席作者说:“我们在西澳大学的团队是最早发现钙钛矿材料表面性能受限缺陷的团队之一,现在我们很高兴发现了一种用TOPO分子化学加工这些表面的有效方法,”麻省理工学院的博士后研究员Dane deQuilettes以西澳大学化学博士学位的学生进行了这项研究。“起初,我们非常惊讶地发现钝化材料似乎与保持太阳能电池效率记录的砷化镓一样好。因此,为再次验证我们的结果,我们设计了几种不同的方法来确认改进钙钛矿材料的质量。”

DeQuilettes和共同首席作者伊恩·布拉利(Ian Braly)在化学工程博士学位期间进行了这项研究,结果表明TOPO处理钙钛矿半导体会显着影响其内部和外部的光致发光量子效率-用来确定半导体材料的良好性能的指标在利用吸收的光子能量而不是将其作为热量损失。钙钛矿的TOPO处理将内部光致发光量子效率提高了十倍-从9.4%增至近92%。

Braly说:“我们观察到钝化混合钙钛矿吸收和发射光的效率的测量结果表明,没有固有的材料缺陷可以阻止太阳能电池的进一步改进。” “此外,通过将发射光谱拟合至理论模型,我们证明了这些材料可产生理论最大值的97%的电压,等于世界纪录的砷化镓太阳能电池,远高于仅达到84%的纪录硅电池。 ”

从理论上预测,这些材料质量的提高将使光电功率转换效率在常规日光照射下达到27.9%,这将使钙钛矿基光伏记录超越最佳硅器件。

研究人员说,钙钛矿的下一步就是证明一种与容易制造的电极兼容的类似化学钝化方法,并进行其他类型的表面钝化实验。

deQuilettes说:“钙钛矿已经在光伏装置中取得了空前的成功,但是还有很大的改进空间。” “在这里,我们认为我们为社区更好地利用太阳的能量提供了一条前进的道路。”

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