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钙钛矿太阳能电池的生产将被新技术低成本的进行大规模生产2018-06-25

今天,一个由高校科学家组成的国际科研团队报道了他们在解决钙钛矿电池规模化制备方面所做出的努力,钙钛矿电池目前是硅基太阳能电池潜在的挑战者和有力的替代者。

这些钙钛矿晶体结构显示出潜在的应用前景,因为它们可以吸收几乎所有波长的光。 钙钛矿太阳能电池已经可以小规模商业化,近年来,钙钛矿太阳能电池的功率转换效率(PCE)已经有了明显的改进,这将逐步推动其作为太阳能电池板的低成本替代品。

在今天Nanoscale杂志(皇家化学学会出版物)在线发布的封面文章中,该研究团队展示了一种将关键组分应用于钙钛矿电池以解决一些主要制造难题的新型可扩展手段。 研究人员能够用喷涂这种新型的方式在钙钛矿光伏电池中应用临界电子传输层(ETL),ETL具有优异的导电性,并且可以和其邻近的钙钛矿层形成牢固界面。

这项研究由纽约大学Tandon理工学院化学和生物分子工程系副教授AndréD. Taylor领导,合作者包括来自北京大学的研究员郑一凡(音)以及来自中国电子科技大学,耶鲁大学和约翰霍普金斯大学的研究人员。

大多数太阳能电池是以类似“三明治”这样层叠的材料构成,当光照到电池表面时,它会在带负电荷的材料中激发电子,并通过将电子移向带正电的“空穴”的栅格来建立电流。在称为p-i-n(或反转时的n-i-p)的具有简单平面取向的钙钛矿太阳能电池中,钙钛矿材料构成带负电的临界电子传输层(ETL),ETL和带正电的空穴传输层(HTL)之间的是光俘获本征层(即p-i-n中的“i”)。

当正电荷层和负电荷层被分离时,整个架构看起来就像一个亚原子态的“弹球盘”(日本一种类似于弹球的赌博游戏),其中来自光源的光子从ETL中移走不稳定的电子,导致它们落到三明治结构的HTL一侧。 钙钛矿层加速了这种流动。 尽管钙钛矿由于其对空穴和电子的强亲和力以及快速的反应时间而成为理想的本征层,但是在商业上大规模的制造钙钛矿这种材料很困难,部分原因在于难以在钙钛矿的结晶表面上有效地施加均匀的ETL层。

研究人员选择化合物[6,6] – 苯基-C(61) – 丁酸甲酯(PCBM)作为研究对象,因为这种化合物曾经被用来制作ETL材料,同时,在粗糙层中应用PCBM可以有效改善材料的导电性,提供较少穿透性界面接触以及增强光捕获的能力。

Taylor表示:“关于平面p-i-n设计ETL的研究很少。平面设计电池的关键挑战在于,如何在实际生产过程中以不破坏相邻层的方式组装它们?

目前最常见的生产方法是旋转铸造,其中包括旋转太阳能电池并允许向心力将ETL流体分散在钙钛矿基底上。 但是这种技术仅限于小表面材料的制备,而且旋涂层薄厚不一,这将大大降低太阳能电池的性能。 通过卷对卷制造等方法,旋转铸造法对于大型太阳能电池板的商业生产也是不可行的,因为柔性p-i-n平面钙钛矿结构在其他方面非常合适。

研究人员转而采用喷涂技术,将ETL均匀地涂在大面积上,适合制造大型太阳能电池板。 他们研究中报告的太阳能电池功率转换效率提升到17%以上,效率比其他ETL提高了30%左右,并且成品的缺陷更少

Taylor补充说道:“我们的生产方法简洁,重复性好,可扩展,这表明喷涂PCBM得到的 ETL可能会对提高钙钛矿太阳能电池的效率基线具有广泛的吸引力,在不久的将来,这将为钙钛矿太阳能电池的创记录转化效率提供一个理想的研究平台。”

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