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钙钛矿太阳能电池遭遇“成长的烦恼”上海交大提出解决方法

拥有优异的光电性能,却天生体格“柔弱”,这是光伏新星——钙钛矿太阳能电池——所面临的“成长的烦恼”。

上海交通大学材料科学与工程学院教授韩礼元团队通过构建稳定异质结结构,在保证高效率的前提下,提高了钙钛矿太阳能电池在工作状态下的稳定性,对促进钙钛矿太阳能电池产业化进程起重要作用。该项研究成果近日在线发表在《Science》。

钙钛矿太阳能电池作为一种新型光伏技术,具有成本低、效率高的特点,目前,世界最高光电转化效率纪录已达到25%。

作为一种半导体异质结结构光电器件,钙钛矿太阳能电池通过钙钛矿光吸收层、电荷传输层等半导体材料组成的异质结结构来有效分离和提取光生电荷,实现由光能向电能的转换,但钙钛矿电池异质结结构并不稳固,一旦异质结结构被破坏,电池性能就会显著降低。

究其主要原因,在于由离子组成的钙钛矿半导体天生结构“柔弱”,工作条件下,受光照、电场、温度等作用的影响,产生大量结构缺陷,导致半导体材料发生结构改变甚至分解。分解逃逸出来的离子还会进入电荷传输层或电极层,破坏异质结的光电转换功能,造成整体器件效率的显著降低,因此稳固钙钛矿太阳能电池中“柔弱”的异质结结构,保护光生电荷的分离和提取过程,成为解决稳定性难题的一个重要研究方向。

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图A,富铅钙钛矿薄膜制备过程;图B,氯化氧化石墨烯覆盖于钙钛矿薄膜表面;图C,D,E,异质结结构中氯-铅键,氧-铅键形成;图F,G,H,稳定性表征:不同异质结结构,电荷传输层表面电势分布。上海交大 供图为此,韩礼元团队设计制备了具有稳固结构的钙钛矿异质结结构。该结构主要包含一层表面富铅钙钛矿半导体薄膜,且在薄膜表面沉积氯化氧化石墨烯薄膜,形成氯-铅键、氧-铅键,将两层薄膜结合在一起。

光学、电学等表征实验结果表明,该异质结结构稳定,可有效减少钙钛矿半导体薄膜的分解和缺陷的产生,同时,减少了逃逸离子对电荷传输层功能性的破坏。

具有该异质结结构的钙钛矿太阳能电池,在一个标准太阳光光强和60摄氏度条件下连续工作1000小时后,保有初始效率的90%,而且,电池的稳态输出效率通过了国际公认电池评测机构——日本产业技术综合研究所(AIST)光伏技术研究中心的认证。

该研究团队的工作提供了一种通过构建稳固的异质结来提高钙钛矿太阳电池稳定性的方法,向钙钛矿太阳能电池产业化迈出重要一步。

最新统计结果显示,中国研究单位在钙钛矿太阳能电池领域的成果数量已占全球总量的40%。

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