钙钛矿太阳能电池是一种有前途的新型低成本光伏技术

2019-10-15 18:04:41

一类称为钙钛矿的材料已经出现,成为制造廉价且高效太阳能电池的有希望的替代硅的材料。但是就他们的全部诺言而言,钙钛矿并非没有缺点。大多数都含有剧毒的铅,并且包括有机材料,这些材料在暴露于环境时不稳定。

现在,布朗大学和内布拉斯加州大学的一组研究人员已经提出了一种新的钛基材料,用于制造无铅无机钙钛矿太阳能电池。在发表在《焦耳》杂志(《细胞》杂志的新能源期刊)上的一篇论文中,研究人员表明,这种材料可以成为一种很好的候选材料,特别是对于制造串联太阳能电池-钙钛矿电池置于顶部的排列方式硅或另一种既定材料制成,以提高整体效率。

新论文的资深作者尼丁·帕迪特(Nitin Padture),布朗工程学院的Otis E. Randall大学教授和所长说:“钛是一种丰富,坚固且具有生物相容性的元素,直到现在,钙钛矿研究一直被人们忽略。”分子和纳米级创新研究所。“我们表明,可以使用钛基材料制造钙钛矿薄膜,并且该材料具有可调谐的太阳能应用良好的性能。”

2009年,人们对钙钛矿产生了兴趣,该钙钛矿是一类具有特定晶体结构的材料,可用于清洁能源,当时人们发现它们能够将阳光转化为电能。首批钙钛矿太阳能电池的转换效率仅为约4%,但迅速飙升至近23%,可与传统硅电池媲美。钙钛矿具有一些吸引人的优势。与硅电池相比,它们的制造成本可能更低,并且它们可以部分透明,从而启用诸如发电的新技术。

Padture说:“钙钛矿研究的主要方向之一就是摆脱铅基材料,找到无毒且更稳定的新材料。” “通过计算机模拟,我们在UNL的理论家合作者预测,一类具有铯,钛和卤素成分(溴或/和碘)的钙钛矿是不错的选择。下一步是使用这种材料实际制造太阳能电池,并测试其属性,这就是我们在这里所做的。”

该团队制作的半透明钙钛矿薄膜的带隙为1.8电子伏特,该能隙是材料能吸收的光子能级的量度,被认为是串联太阳能应用的理想选择。研究人员说,这种材料的转换效率为3.3%,远低于铅基电池的转换效率,但这是全新材料的良好开端。

布朗的工程学助理教授,研究合著者周元元说:“有很多工程可以提高效率。” “我们认为这种材料还有很大的改进空间。”

陈敏,博士 布朗(Brown)材料科学专业的学生和该论文的第一作者使用高温蒸发方法来制备薄膜,但他说研究小组正在研究其他方法。他说:“我们也在寻找基于低温和溶剂的新型方法,以降低电池制造的潜在成本。”

研究表明,与其他无铅钙钛矿替代品相比,该材料具有多种优势。一种无铅钙钛矿的竞争者是一种主要由锡制成的材料,当暴露于环境中时容易生锈。手上的钛具有防锈作用。钙钛矿型钛合金的开路电压(也就是太阳能电池可提供的总电压的量度)超过一伏。其他无铅钙钛矿通常产生的电压小于0.6伏。

Padture说:“开路电压是我们可以用来评估太阳能电池材料电势的关键特性。” “因此,一开始具有如此高的价值是非常有希望的。”

研究人员说,与硅相比,该材料的带隙相对较大,使其成为串联太阳能电池顶层的主要候选材料。钛钙钛矿上层会吸收来自太阳的高能光子,而下层硅层由于能隙较小而无法吸收。同时,较低能量的光子将穿过半透明的上层,被硅吸收,从而增加了电池的总吸收能力。

Padture说:“就钙钛矿而言,纵列细胞是低下的果实。” “我们目前尚未打算取代现有的硅技术,而是在寻求增强它。因此,如果您能够制造出稳定的无铅串联电池,那将是一个胜利者。这种新材料看起来像是一种很好的材料。候选人。”

该论文的其他合著者是朱明刚,亚历山大·卡尔,宗应霞,罗纳德·格林,罗家俊和曾小成。该研究得到了美国国家科学基金会(OIA-1538893,DMR-1420645)的支持。

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