光可以改善钙钛矿太阳能电池的性能

2019-10-22 11:16:46

EPFL的科学家在《自然》杂志上发表的文章展示了光如何影响太阳能电池中钙钛矿膜的形成,这是将其用于具有成本效益和能源效率的光伏电池的关键因素。

钙钛矿是近来在太阳能技术中备受关注的材料,因为它们有望将太阳能电池的成本降低到非常低的水平。它们的效率在很大程度上取决于我们控制其在膜中沉积的能力,但是影响钙钛矿合成的因素尚不十分清楚。EPFL科学家现在表明,在当今使用的两种最常用的方法中,光可以极大地加速钙钛矿膜的形成并控制其晶体的形态,从而影响所得太阳能电池的效率。突破性研究发表在《自然》上。

这项研究是由EPFL的MichaelGrätzel实验室进行的。Grätzel以发明首个使太阳能科学发生革命性变化的染料敏化太阳能电池(Grätzel电池)而闻名。

在本文中,博士生Amita Ummadisingu和她在Grätzel实验室的同事使用共聚焦激光扫描荧光显微镜和扫描电子显微镜检查了层沉积钙钛矿时的直射光如何影响晶体形成,这通常是建造太阳能电池所要做的。目的是确保钙钛矿薄膜的均匀性,因为这与优异的光伏性能有关。

迄今为止,人们一直致力于通过优化其架构和制造工艺来提高钙钛矿型太阳能电池的效率。但是钙钛矿形成的基本方面,例如控制反应的机理或因素了解得很少,这导致了批次之间的性能不一致。

但是,了解光效应有助于钙钛矿型光伏产品的重现性和规模化,从而可以商业化生产。因此,EPFL科学家研究了光对当今用于钙钛矿薄膜沉积的两种最常用方法的影响。

第一种方法称为“顺序沉积”,它涉及将碘化铅沉积到二氧化钛支架上,然后将它们一起浸入碘化甲基铵溶液中,制成最终的碘化铵碘化钙钛矿。第二种方法是“反溶剂法”。在此,将钙钛矿前体溶液均匀地涂覆在旋转的平底上以形成薄层。然后将抗溶剂滴在其上,最后将整个样品加热以形成钙钛矿。

科学家在顺序沉积方法中使用两种显微镜技术,发现存在光时,它会显着加速钙钛矿的整体形成。当光强度增加到太阳水平时,效果会增强。

薄膜的形貌差异不是光加热的结果;它不是光的结果。相反,它们是量子效应的产物:碘化铅薄膜在钙钛矿形成的第一步即结晶,并形成表面陷阱。这些陷阱会捕获光生孔,从而降低表面张力。结果,更多的碘化铅晶体在薄膜中生长,最终产生了更多的钙钛矿晶体。

另一方面,研究人员发现,反溶剂方法实际上在没有光照的情况下受益更多,并且在黑暗中效果最佳。

研究表明,控制制造过程中存在的光可以帮助钙钛矿太阳能电池获得最佳性能。“令人惊讶和惊人的是,我们发现光强烈影响钙钛矿的形成速度和钙钛矿的形态,而以前所用的常规方法中没有光效应,” MichaelGrätzel说。

Amita Ummadisingu补充说:“光是主要沉积方法以及许多钙钛矿成分的主要因素。” “因此,在制造最先进的钙钛矿器件时,对光效应的认识和控制至关重要,在制备用于光电应用(例如太阳能电池,LED等)的钙钛矿薄膜时,应始终考虑到这一点。”

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