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打臉謝爾頓的電池,了解一下

2018-11-08 07:57:21

實驗室製備的反式鈣鈦礦電池。

正式和反式結構的示意圖。中國科學院合肥物質科學研究院提供

  “Geology is not real science!”(地質不是科學!)這是美劇《生活大爆炸》的主人公、物理學家謝爾頓說的話。

  但事實上,物理和地質已經密不可分,相互滲透。就拿鈣鈦礦來說,它既是凝聚態物理研究的熱門,也是地球科學研究者關注的焦點。鎂-鈣鈦礦是地球上含量最多的礦物,而鈣鈦礦型晶體是如今開發光伏電池最受關注的新型材料。

  我們都知道,太陽能電池是一種可以直接把光能轉化成電能的裝置。在追求清潔能源的大背景下,它已經形成了相當大的產業規模。實際上,太陽能電池的發展過程經曆了三個階段:第一代主要基於單晶矽的太陽能電池;第二代薄膜太陽能電池;第三代就是今天要重點介紹的鈣鈦礦太陽能電池。

  鈣鈦礦太陽能電池之所以備受人們的青睞,原因在於它具有優越的光吸收特性、帶隙可調、載流子壽命長、遷移率高、製備工藝簡單等優點,在光伏領域具有重要的應用前景。

  通常,鈣鈦礦太陽能電池的製備是由下往上,一層一層順序製備出來的。在平面鈣鈦礦層製備過程中,根據鈣鈦礦底層材料對鈣鈦礦內的電子或者空穴的提取能力不同而分為正式和反式結構。

  正式(n-i-p)結構是在透明陰極上先後製備出電子傳輸層、鈣鈦礦、空穴傳輸層和陽極金屬。而反式(p-i-n)結構是在透明陽極上先後製備空穴傳輸層、鈣鈦礦、電子傳輸層和陰極金屬。

  太陽能電池在光照條件下工作時,光從正式結構電池的透明陰極入射。而在反式結構中,光則從透明陽極入射。

  目前,正式(n-i-p)平面結構鈣鈦礦太陽能電池的最高光電轉換效率已達到22.7%。但是,反式(p-i-n)平面結構鈣鈦礦太陽能電池憑藉其製備工藝更加簡單低廉,可低溫成膜,無明顯遲滯效應,適合與傳統太陽能電池結合製備疊層器件等優點,也受到越來越多的關注。

  不過,反式鈣鈦礦電池還面臨許多挑戰:一是光電轉換效率還稍顯不足;二是作為鈣鈦礦太陽能電池的核心部件有機電子傳輸層(如C60、PCBM等富勒烯及其衍生物)的熱穩定性差,且無法阻擋金屬電極在MAPbI3中的擴散;三是有機電子傳輸層成本昂貴等。

  為了解決這些問題,中科院合肥物質科學研究院固體物理研究所的李新化老師課題組與戴建明老師課題組合作,開發了一種無有機電子傳輸層的新型高效反式鈣鈦礦太陽能電池,相關研究結果發表在學術期刊《太陽能》(Solar RRL)上,並被選為當期封底。

  研究人員利用金屬鈦(Ti)取代有機電子傳輸層,設計出鈣鈦礦太陽能電池多層“夾心”結構——研究表明,利用鈦的高黏滯性製備的Ti(10納米)層能夠完整地覆蓋在鈣鈦礦表面,有利於降低電極接觸電阻,並且能夠有效抑制陰極金屬在鈣鈦礦器件中的擴散,從而有助於保護器件結構的完整性和穩定性;另一方面,在Ti與MAPbI3的界面處,Ti與甲胺離子(MA+)形成Ti-N鍵,能夠抑制MAPbI3因表層MA+的揮發而引起的分解,進一步提高了器件的穩定性。

  研究結果顯示,利用鈦作為電子傳輸層,且具有不同的頂部電極的鈣鈦礦電池的光電轉換效率均達到18.1%,這是目前金屬材料與鈣鈦礦層直接接觸器件所達到的最高效率,也是足以媲美傳統的、利用 PCBM(一種富勒烯衍生物)作為有機電子傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率。而且,相比於有機電子傳輸層的製備條件,鈦層的製備和成本更為簡單與低廉。

  這項研究工作為金屬作為電子傳輸層構築高效的鈣鈦礦太陽能電池提供了新思路,為廉價鈣鈦礦太陽能電池提供了新嘗試,也為更多種金屬在鈣鈦礦太陽能電池領域的應用提供了新探索,具有非常重要的指導意義。

   (作者:陳濤,系中國科學院合肥物質科學研究院博士,由中國科學院提供)

來源:光明日報
編輯:尹文卓

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