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流行高效、低本钱、石墨烯电极的半透明钙钛矿太阳电池

近日,中国科学院大连化学物理研究所薄膜硅太阳电池研究组(DNL1606)研究员刘生忠团队联合陕西师范大学研究员杨栋,通过将半透明钙钛矿电池与高效硅异质结薄膜电池结合,组成光电转化效率达到27.0%的四端钙钛矿-硅叠层太阳能电池。  晶硅太阳能电池是第一代太阳能电池,经过数十年发展,技术已经非常成熟。目前,95%的光伏市场份额被晶硅太阳能电池所占据。实验室报道的最好的晶硅太阳能电池的光电转化效率已经达到26.6%,非常接近它的理论光电转化效率极限29.4%。在物理法则下,晶硅电池的效率提升之路正变得越来越窄。为了实现更高的光电转换效率,越来越多的研究开始关注将晶硅电池与其它的高效率电池组成叠层电池。  钙钛矿电池是近几年发展起来的第三代太阳能电池,它具有原料丰富、成本低、制备工艺简单、对缺陷的容忍性好等优点。目前,实验室报道的钙钛矿电池光电转换效率已超过24%。钙钛矿的结构通式是ABX3,A位通常是正一价的有机阳离子CH3NH3+、NH=CHNH3+或者无机Cs+离子等,B位通常是正二价金属阳离子Pb2+、Sn2+等。X通常是卤素阴离子I-、Br-、Cl-等。通过离子替换,钙钛矿的带隙可以在1.4到2.3
eV之间灵活调节,使它成为非常理想的叠层电池子电池材料。  叠层电池由一个高带隙子电池和一个低带隙子电池组成。低带隙子电池拓宽了太阳光光子的利用率;高带隙子电池减少了半导体捕获高能光子后电子跃迁后弛豫过程的热能损失。因此叠层电池具有比单结电池更高的极限光电转化效率。得到高效率的叠层太阳能电池的关键之一是在温和条件下制备透明电极,即在不伤害底层材料的前提下,制备兼具高导电性和高透光性的电极。  该团队使用真空热蒸发沉积薄膜的方法,以三氧化钼/金纳米网/三氧化钼“三明治结构”作为透明电极,替换掉传统钙钛矿电池中的金属背电极。制备的半透明钙钛矿太阳能电池具有18.3%的光电转化效率,这是目前使用超薄金属制备的半透明钙钛矿电池的最高效率之一。将此半透明钙钛矿太阳能电池与光电转化效率23.3%的硅异质结薄膜电池结合,得到了光电转换效率27.0%的四端叠层太阳能电池。  该项研究使用了一种简单低成本的方法制备高导电性、高透光性的透明电极,有助于推动半透明电池以及多结/叠层电池的发展,降低光伏发电的成本。相关成果发表在《先进功能材料》(Advanced
Functional
Materials)上。该工作得到国家自然科学基金、中国国家重点研究与发展计划、陕西省科技创新引导项目等的资助。

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近日,我校现代工程与应用科学学院的谭海仁教授与多伦多大学的Edward
Sargent教授研究发现有偶极性的有机阳离子对有机-无机杂化钙钛矿材料的缺陷性能具有显著的影响,在钙钛矿材料中引入少量的偶极性阳离子,可以大大降低宽带隙钙钛矿太阳能电池中的非辐射复合损失,大幅提升光电转换效率。基于1.65
eV和1.75eV的宽带隙钙钛矿太阳能电池的稳态转换效率分别高达20.7%和19.1%,均是目前报道的宽带隙钙钛矿电池中的最高效率值。该工作将有望显著提升基于钙钛矿的叠层太阳能电池的转换效率,推动钙钛矿基高效率叠层光伏器件研究的新进展。该成果以《Dipolar
cations confer defect tolerance in wide-bandgap metal halide
perovskites》为题,发表在Nature
Communications上(

由于对建筑集成光伏系统的需求日益增加,开发高效、低成本的透明或半透明太阳能电池来替代现有的不透明和昂贵的硅基太阳能电池板变得越来越重要。

近年来,晶体硅太阳能电池效率不断提升,几近理论极限,持续增加的空间有限。光伏系统的成本取决于电池的光电转换效率,如何继续提高太阳能电池的光电转化效率对于降低发电成本,促进太阳能电池产业的发展有着至关重要的意义。制备更低成本、更高效率的太阳能电池是未来进一步降低光伏发电成本、实现平价电网目标的关键。构筑多结太阳能电池是提升光伏器件转换效率的重要途径,结合具有低成本的钙钛矿和工艺成熟的晶体硅,则有望在已大规模应用的晶体硅太阳能电池技术上大幅提升硅电池的转率效率,实现低成本、高效率的叠层光伏组件。钙钛矿太阳能电池以其成本低、制备方法简单且转化效率高的优点,近年来在光伏研究领域独树一帜,展现出巨大的商业化潜力。

香港理工大学应用物理系已成功研制出高效率及低成本的石墨烯电极半透性钙钛矿太阳能电池。

为了与晶体硅电池进行叠层并获得更高的光电转换效率,制备高效率的宽带隙钙钛矿太阳能电池(理想带隙约1.7
eV左右)是实现高效率叠层光伏电池的关键核心课题之一。然而在宽带隙钙钛矿材料中存在较高的缺陷态密度,导致电池的开路电压损失越大、填充因子较小,限制了宽带隙钙钛矿电池的转换效率。为了有效地降低宽带隙钙钛矿薄膜材料中由缺陷导致的非辐射复合,谭海仁教授和合作研究者展开研究,通过在相稳定的铯-甲脒二元混合阳离子钙钛矿中引入少量具有偶极性的甲胺离子,实现显著降低非辐射复合的目的。相比于无偶极矩的铯离子或偶极矩很小的甲脒离子,甲胺离子具有很大的偶极矩,而且在钙钛矿晶格中甲胺离子较容易在空间中转动,偶极子可与附近的带电陷阱中心产生静电相互作用,其较大的偶极矩可局域地对带电的陷阱中心产生静电屏蔽效应,从而减小陷阱中心对载流子的俘获截面,降低由于陷阱中心导致的非辐射复合。最终在基于1.65
eV带隙的钙钛矿电池中获得了1.22
V的开路电压和超过80%的填充因子,稳态转换效率达到20.7%;基于1.74
eV带隙的钙钛矿电池中也获得了1.25
V的开路电压和19.1%的稳定效率。这两种宽带隙钙钛矿的转换效率均是目前报道的最高值。该工作为进一步提升钙钛矿太阳能电池的效率提供了新方法,也为获得高效率钙钛矿基叠层光伏器件(比如钙钛矿-晶体硅叠层电池、钙钛矿-钙钛矿叠层电池)提供了良好的基础。

在掺杂氟的氧化锡底部电极或石墨烯顶部电极的照射下,这种新发明的功率转换效率约为12%,而传统的半透明太阳能电池只有7%。

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其潜在的低成本低于每瓦0.5港元,与现有硅太阳能电池的成本相比降低了50%以上,将使其在未来得到广泛应用。

图1:引入偶极性甲胺阳离子后宽带隙钙钛矿太阳能电池的光伏性能比较,少量甲胺离子的加入可以显著提升电池的开路电压和填充因子,抑制电池的J-V迟滞现象,小面积电池转换效率高达20.7%,大面积器件效率达19.3%。

太阳能是可再生能源的重要来源,利用太阳能电池的光伏效应将光能直接转化为电能。

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第一代晶硅太阳能电池板是高度稳定的,具有高效的能量转换,但不透明和昂贵。

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