32岁科学家创造世界纪录,突破大面积钙钛矿电池21.6%光电转化率

目前,中国的电力市场主要是火力发电和水力发电,光伏发电比例正在逐年增加。钙钛矿太阳能电池会成为未来的主流吗?如果钙钛矿太阳能电池能真正实现产业化,那么,从成本上来说,光伏发电将有可能更加便宜。

钙钛矿较低的成本是它最大的竞争力,并且含有丰富的碳、氢、氮、碘、铅等化学元素,曾被专业人士认定是太阳能电池领域最有发展潜力的材料。在此基础上,如何更加稳定、高效成为钙钛矿太阳能电池研究的热门方向。

近日,澳大利亚国立大学(ANU)博士后彭军在Science发表了题为《用聚合物钝化钙钛矿太阳能电池,纳米级局部接触实现高填充因子》(Nanoscale localized contacts for high fill factors in polymer-passivated perovskite solar cells)的论文。

论文表示,其在太阳能转化为电能方面取得了 21.6% 的效率,这是针对 1 平方厘米以上面积钙钛矿太阳能电池的新世界纪录。这意味着,这种钙钛矿电池在阳光照射下,每平方米可以产生 216 瓦的电能。

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图丨相关论文(来源:Science)

2019 年 6 月 27 日,该项科研成果还获得权威机构 CSIRO(Australia)的认证。这项研究为大面积钙钛矿太阳能电池带来一种新的器件结构设计思路,特别是为制备低串联电阻的钙钛矿太阳能电池,提供了切实的可行性方案。

研究初期,即达 17% 光电转换效率

2015 年 6 月,彭军加入澳大利亚国立大学工程学院钙钛矿课题组。他从博士期间开始,主要负责高效率钙钛矿太阳能电池的制备,同时为课题组的钙钛矿 – 晶硅叠层太阳能电池提供技术支持。

他表示,课题研究起步阶段各方面并不完善。例如,钙钛矿器件效率低,器件稳定性也较差,更谈不上器件效率的重复性。因此,搭建一条可靠的器件制备工艺基线(Baseline)成为课题组的首要任务。

课题组用时 2 个多月,克服各种不利因素,做出了组里第一片超过 17% 光电转换效率的钙钛矿电池。

自那时起,彭军开始着手铟掺杂二氧化钛(In-doped TiOx)电子传输层的研究工作,这项研究也是澳大利亚国立大学钙钛矿课题组第一个效率超过 19% 的钙钛矿电池器件制备的 Baseline。

“从课题组的第一个高效率电池器件制备的 Baseline, 到现在的第四个 Baseline 都是我负责建立的。虽然过程比较艰辛,但确实学到了很多。”

他说,“课题组团队非常团结、有干劲。所以,课题组近期的实验进展也比较顺利。”

钝化层中创造 “无阻碍” 导电通道

太阳能电池的普遍问题是电池中的任何缺陷都可能捕获电子,带走吸收的太阳能。所以,想要提高电池的转换效率,必须采取有效的钝化手段阻止这种界面缺陷。

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图 | 钙钛矿太阳能电池的性能记录(来源:Science)

解决该问题的方法是在吸光材料上涂一层薄材料,使表面 “钝化”,从而减少界面缺陷。

因此,彭军开始着手寻找适合的材料。通过文献调研,他发现了一种比较理想的高分子聚合物材料 —— 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA,polymethyl methacrylate,俗称 “亚克力” 有机玻璃)。

然而,绝大多数用于减少缺陷的材料往往导电性较差。于是他提出,硅电池可以利用孔洞让电子通过绝缘层,创造一种导电途径,不如对钙钛矿也采取相同的工作原理。

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图 | 纳米结构的 TiO2 电子传输层及其电池器件示意图;不同间距的 TiO2 纳米柱子阵列钙钛矿电池和对照钙钛矿电池的器件性能参数的统计分布(来源:Science)

“此外,我们还通过建立三维(3D)器件物理模型,模拟二氧化钛(TiO2)纳米柱子阵列在钙钛矿电池内部起到的作用。” 彭军说。

三维器件物理模型模型表明,若想在钙钛矿太阳电池上工作,需要制造比晶硅电池所用的小数千倍的孔,因此,纳米柱子阵列结构层应运而生。

而通过 TiO2 纳米柱子阵列来刺破钝化层形成局域导电通道,从而提供有效的电子抽取和传输,同时确保钙钛矿太阳能电池保持高电压和高电流。

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图丨仿真结果;在不同的未钝化与钝化缺陷密度的比例下,不同间距的 TiO2 纳米柱子阵列对电池器件性能的影响。(来源:Science)

在 0.16 平方厘米有效面积的钙钛矿太阳能电池上,彭军和团队获得了 23.17% 光电转换效率,以及 1.24 V 开路电压和 0.845 的填充因子。

“这是一组非常不错的电池器件性能参数。” 彭军对 DeepTech 说。

他和团队尝试把钙钛矿太阳能电池的有效面积扩大到 1.2 平方厘米,测试结果显示,在大于 1 平方厘米有效面积的钙钛矿电池上,获得了 21.6% 的光电转换效率,经认证的电池器件填充因子高达 0.839。

这进一步证明了,该纳米化图案 TiO2 电子传输层在提升钙钛矿电池器件填充因子上的优势。“测试结果令我们非常兴奋。” 彭军说。

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图丨1 平方厘米钙钛矿电池的器件性能和长期稳定性测试(来源:Science)

目前,钙钛矿太阳电池的开路电压和短流电流已经做得非常突出,大多数钙钛矿太阳能电池的器件效率局限在填充因子上。

彭军告诉 DeepTech,“如何降低大面积钙钛矿太阳能电池器件的串联电阻,提高电池器件的填充因子,进一步提高大面积钙钛矿太阳能电池光电转换效率,会成为钙钛矿电池研究领域的趋势。”

“将继续钙钛矿研究”

另据悉,彭军在钙钛矿太阳能电池稳定性方面也有可喜的研究成果:在经过 1000 小时的暗场湿热环境(85℃和 85% 的相对湿度)老化之后,封装电池仍可以保持 91% 左右的初始效率。

这说明,钙钛矿电池器件的稳定性有了实质性提高。他认为,钙钛矿太阳能电池技术,正在慢慢走向成熟。也许过不了多久,就能看到钙钛矿太阳能电池产品的面世,那将意味着真正地走向了产业化。

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图丨彭军在实验室(来源:受访者)

大多数高效率钙钛矿太阳能电池是 0.1 平方厘米左右的小面积电池,而商业化的晶硅太阳能电池一般是 6 英寸或者更大。

尽管钙钛矿太阳能电池目前无法和商业化的晶硅太阳能电池相媲美,但是,钙钛矿太阳能电池的发展前景非常被业内人士看好。尤其是钙钛矿 – 晶硅叠层太阳能电池,有巨大的光电转换效率潜力。

相比单结晶硅电池,通过结合钙钛矿 – 晶硅叠层太阳能电池,其能更好地利用太阳光并获得更高的效率。据报道,目前 1 平方厘米有效面积的钙钛矿 – 晶硅叠层太阳能电池的光电转换效率高达 29.5%,已远远超过单结晶硅太阳能电池的光电转换效率。

彭军认为,在过去两年,钙钛矿太阳能电池在稳定性方面取得了实质性进展。这些成果,提高了钙钛矿太阳能电池成为下一代薄膜光伏技术的可能性。

谈及未来发展,彭军对 DeepTech 表示,今年博士后出站以后,他将继续从事钙钛矿太阳能电池、钙钛矿 – 晶硅叠层太阳能电池以及晶硅太阳能电池方面的研究。

“我觉得做大面积钙钛矿太阳能电池、以及大面积钙钛矿 – 晶硅叠层太阳能电池会是未来热门的研究方向。”

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原文出处:DeepTech深科技

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