Inorganic-Organic Semiconductors

传统的硅太阳能电池由于成本高、生产工艺复杂、生产过程会造成环境污染等问题,限制了其大规模的使用因此,开发高光电转换效率、低成本的新型太阳能电池成为人们关注的重点.近年来,一种以金属有机卤化物作吸光材料的钙钛矿太阳能电池由于其光电转换效率高、成本低而成为光伏领域研究的热点之一。

1:美国国家能源部可再生能源实验室统计各种电池效率

 

如图1所示,在图右方的黑圈圈中的橙色折线代表的是钙钛矿电池的效率,从折线的斜率可以看出,在短短的几年内,钙钛矿电池的光转化效率以一个极快的速度提高,且已经达到了较高的效率,这是其他种类的材料所不具有的。

2:钙钛矿电池效率发展

如图2所显示的,在2014年底钙钛矿太阳能电池的效率已经达到了20.1%的高效率,达到了之前所预测的效率,但随着钙钛矿太阳能电池研究的渐次深入,美国报道科学家们在最新研究中发现,以一种新式钙钛矿为原料的太阳能电池的转化效率或可高达50%,为目前市场上太阳能电池转化效率的2倍,将能大幅降低太阳能电池的使用成本。

钙钛矿太阳能电池的制备主要通过/气相制备如涂布法、气相沉积法、混合工艺等,而这些工艺的特点正在于流程简单而能耗较低,并且这些工艺的适用条件较为温和不涉及长时间的高温高压条件;而从材料的角度,钙钛矿电池的核心材料MAPbI3 是由一种简单廉价的有机物甲胺和常见的元素铅和碘所构成,从材料上来看成本也比较低。因此不管从工艺上还是材料上都可以认为钙钛矿太阳能电池具有工艺简单、制造成本低、能耗低、环境友好的优点。

在广大研究人员的努力下,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经达到20%的水平。随着钙钛矿太阳能电池的光电转换效率取得突破性进展,人们认识到钙钛矿太阳能电池的长期稳定性是决定其能否商业化应用的关键,因此将研究的重点逐渐转移到钙钛矿太阳能电池的稳定性上来。钙钛矿太阳能电池的稳定性主要受钙钛矿材料的有机-无机晶格结构的稳定性限制。钙钛矿材料对水气十分敏感,在水气存在下,钙钛矿CHNHPbI的晶格被破坏,接着迅速分解为CHNHI和PbI,导致器件失效。有研究发现,通过Br部分取代I得到的钙钛矿材料CHNHPb(I1-xBr,其稳定性明显高于CHNHPbI

而另一个问题,则在于环保,钙钛矿电池的核心感光材料钙钛矿层是含铅,而铅对环境是有一定毒性的,这就引发了对用其他低毒性的元素代替铅的思考,怎样使得在保证高转化效率的同时也具有低毒的特点,这引起了广泛的研究。

因此对于材料改性我们的工作主要集中在:

 

第一,致力于通过对卤素和金属元素的掺杂以及对大量模板剂的优选,旨在提高核心光伏材料的稳定性。

第二,致力于开发不含铅的吸光材料,具体方法是用低毒的金属元素来代替Pb,旨在从根源上解决有毒元素的污染问题。

 

 

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