反型鈣鈦礦電池效率破世界紀(jì)錄

近日，華東師范大學(xué)教授方俊鋒團(tuán)隊(duì)與中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所副研究員李曉冬合作，在《科學(xué)》雜志發(fā)表論文，介紹了他們?cè)诜葱外}鈦礦太陽能電池研究方面的最新成果。

“(該研究)創(chuàng)造了新的反型鈣鈦礦電池效率世界紀(jì)錄，轉(zhuǎn)化效率首次實(shí)現(xiàn)大于24%。”《科學(xué)》雜志審稿人評(píng)價(jià)說。

另一位審稿人則認(rèn)為，該研究突破了反型器件效率低這一長期困擾鈣鈦礦電池發(fā)展的瓶頸，為鈣鈦礦電池研究開辟了新的思路與方向。

有望實(shí)現(xiàn)低成本光伏發(fā)電

在全球氣候變化和“雙碳”目標(biāo)下，光伏技術(shù)發(fā)展受到世界各國的廣泛重視。鈣鈦礦太陽能電池成本低、效率高，被認(rèn)為是最有希望實(shí)現(xiàn)低成本發(fā)電的新型光伏技術(shù)之一。

鈣鈦礦太陽能電池是利用鈣鈦礦型“有機(jī)—金屬鹵化物雜化”半導(dǎo)體作為吸光材料的太陽能電池，屬于第三代太陽能電池，也被稱為新概念太陽能電池。

“鈣鈦礦電池分為正型N-I-P電池和反型P-I-N電池。相對(duì)正型，反型鈣鈦礦電池有其自身優(yōu)勢，可低溫制備、工藝簡單、穩(wěn)定性好，同時(shí)能與晶硅電池兼容，實(shí)現(xiàn)疊層電池的制備。”方俊鋒告訴《中國科學(xué)報(bào)》，反型鈣鈦礦/晶硅疊層是鈣鈦礦電池商業(yè)化應(yīng)用的路徑之一。

此外，反型鈣鈦礦電池?zé)o需使用具有光催化活性的TiO2以及摻雜的有機(jī)空穴傳輸層，光照下的輸出穩(wěn)定性更好，因此更具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

“盡管反型器件具有諸多優(yōu)勢，但目前高效率的鈣鈦礦電池基本上都是正型器件。正型鈣鈦礦電池效率已達(dá)25%，而反型鈣鈦礦電池的最高效率仍維持在22%~23%。”方俊鋒說，“因此，如何縮小正反型器件效率差距，實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定反型器件的制備，一直是鈣鈦礦電池研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)和難點(diǎn)問題。”

電池效率創(chuàng)新高

經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)論證，該課題組采用構(gòu)筑表面異質(zhì)結(jié)、提高器件內(nèi)建電場的思路，首先在鈣鈦礦表面旋涂上吡啶—2—羧酸鉛制備富鉛層，隨后用高反應(yīng)活性的六甲基二硅硫醚進(jìn)行硫化，原位形成PbS-I層，實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦表面費(fèi)米能級(jí)的上移和能帶彎曲，從而在鈣鈦礦界面處引入額外背場，構(gòu)建出高效的界面異質(zhì)結(jié)，在抑制界面復(fù)合的同時(shí)，還能顯著提高器件開路電壓。

基于此方法，研究人員用穩(wěn)定性好的含羧酸基團(tuán)聚噻吩衍生物作為空穴傳輸層，富勒烯衍生物PCBM作為電子傳輸層，首次將反型鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)化效率提高到24%以上。

“通過構(gòu)筑性能優(yōu)異的界面異質(zhì)結(jié)，使鈣鈦礦表面的費(fèi)米能級(jí)上移，從而在界面處引入一個(gè)額外電場，抑制界面復(fù)合，是實(shí)現(xiàn)反型電池高效率的主要原因。”該論文第一作者李曉冬對(duì)《中國科學(xué)報(bào)》說。

實(shí)用化指日可待

除了提高反型鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)化效率，該研究還實(shí)現(xiàn)了電池穩(wěn)定性的大幅提升。

“對(duì)于所有太陽能電池來說，沒有穩(wěn)定性就無法實(shí)際應(yīng)用。”李曉冬說，“對(duì)鈣鈦礦電池來說，穩(wěn)定性格外重要，這也是目前制約鈣鈦礦電池走向商業(yè)化的瓶頸。”

研究人員發(fā)現(xiàn)，Pb-S鍵強(qiáng)度遠(yuǎn)高于鈣鈦礦中的Pb-I鍵，可以有效抑制老化過程中鈣鈦礦的衰減，同時(shí)Pb-S鍵與鈣鈦礦的晶格參數(shù)接近，能夠進(jìn)一步穩(wěn)定鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)電池穩(wěn)定性的大幅提升。

實(shí)驗(yàn)表明，利用Pb-S鍵，電池經(jīng)過2200小時(shí)的高溫(85℃)加速老化測試，其效率仍可以保持在初始值的91.8%。光照下(55℃±5℃)，經(jīng)過1000小時(shí)的連續(xù)最大功率輸出加速老化測試，效率也能穩(wěn)定在初始值的90%以上。

“這為反型鈣鈦礦電池研究提供了一個(gè)新的思路與方向。”方俊鋒說，“通過合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，反型鈣鈦礦電池完全可以實(shí)現(xiàn)兼具高效率和高穩(wěn)定性。”

業(yè)界認(rèn)為，鈣鈦礦電池作為當(dāng)前最具潛力的新型光伏技術(shù)，在國家宏觀政策、產(chǎn)業(yè)界的支持以及科研人員的配合下，極有希望走向大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。

“未來將繼續(xù)圍繞高效穩(wěn)定的反型鈣鈦礦電池展開深入研究，探索構(gòu)建高效界面異質(zhì)結(jié)的新方案，進(jìn)一步提升器件效率和穩(wěn)定性。”談及這項(xiàng)研究的應(yīng)用前景，方俊鋒說，“我們也會(huì)開展一些大面積鈣鈦礦電池模組研究，推動(dòng)鈣鈦礦電池走向?qū)嵱没?rdquo;

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1126/science.abl5676