研究人员提高了由纳米晶体制成的低成本太阳能电池的耐用性

一个国际研究团队开发了一种新技术来提高倒置钙钛矿太阳能电池的耐久性——这是朝着新兴光伏技术商业化迈出的重要一步，该技术可以显着降低太阳能成本。

与由极高纯度硅晶片制成的传统太阳能电池不同，钙钛矿太阳能电池由纳米级晶体制成。这些钙钛矿晶体可以分散到液体中，并使用低成本、成熟的技术旋涂到表面上。

还可以通过调整晶体薄膜的厚度和化学成分来调整被钙钛矿吸收的光的波长。调整到不同波长的钙钛矿层甚至可以堆叠在一起，或者堆叠在传统硅电池的顶部，从而形成比今天的设备吸收更多太阳光谱的“串联”电池。

发表在《科学》杂志上的最新作品包括来自多伦多大学、西北大学、托莱多大学和华盛顿大学的研究人员。

“钙钛矿太阳能电池有潜力克服硅太阳能电池固有的效率限制，”该研究的共同作者TedSargent说，他最近加入了西北大学化学系和电气与计算机工程系，但仍然隶属于美国TEngineering，他在那里有一个研究实验室。

“它们也适用于成本远低于硅的制造方法。但是钙钛矿仍然落后于硅的一个地方是它们的长期耐用性。在这项研究中，我们使用了一种合理的设计方法来解决这个问题以一种新的和独特的方式。”

近年来，萨金特和他的合作者取得了几项进步，提高了钙钛矿太阳能电池的性能。但是，尽管之前的大部分工作都侧重于提高效率，但他们的最新工作着眼于耐久性的挑战。

“这些类型的太阳能电池的一个关键弱点是钙钛矿层和相邻层之间的界面，我们称之为载流子传输层，”最近从多伦多大学工程学院搬到UofTEngineering的博士后研究员ChongwenLi说。托莱多大学，是该论文的主要合著者之一。

“这些相邻层提取将流经电路的电子或空穴。如果这些层和钙钛矿层之间的化学键被光或热破坏，电子或空穴就无法进入电路——这会降低整体效率细胞，”李说。

为了解决这个问题，国际研究团队回到了第一性原理。他们使用基于密度泛函理论(DFT)的计算机模拟来预测哪种分子最适合在钙钛矿层和电荷传输层之间建立桥梁。

“之前的研究表明，被称为路易斯碱的分子有利于在这些层之间建立牢固的结合，”萨金特实验室的博士后研究员BinChen说，他现在是西北大学的研究助理教授，也是纸。

“这是因为分子的一端与钙钛矿层中的铅原子键合，而另一端与载流子传输层中的镍键合。我们的模拟预测是含有元素磷的路易斯酸具有最好的影响。”

在实验室中，该团队尝试了各种含磷分子的配方。他们的实验表明，使用称为1,3双(二苯基膦基)丙烷或DPPP的材料性能最佳。

该团队构建了包含DPPP和一些不含DPPP的倒置钙钛矿太阳能电池。他们对这两种类型进行了测试，模拟了太阳能电池在野外会经历的那种条件，用与太阳强度相似的光照亮它们。他们还尝试将它们暴露在光照和黑暗中的高温下。

“使用DPPP，在环境条件下——也就是说，没有额外的加热——电池的整体功率转换效率保持高大约3,500小时，”李说。

“先前在文献中发表的钙钛矿太阳能电池在1,500到2,000小时后往往会出现效率显着下降，因此这是一个很大的改进。”

李说，该团队已经为DPPP技术申请了专利，并且已经收到商业太阳能电池制造商的兴趣。

“我认为我们所做的是展示一条新的前进道路——DFT模拟和合理设计可以为有前途的解决方案指明道路，”他说。

“但那里可能有更好的分子。最终，我们希望钙钛矿太阳能电池能够在商业上与硅竞争，这是当今最先进的光伏技术。这是重要的一步朝那个方向，但还有更远的路要走。”