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[科技] 科学家制备全钙钛矿三结太阳能电池，最大功率转换效率可达24.3％

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南红玛瑙 发表于 2023-7-1 18:04:05 | 只看该作者 打印 上一主题 下一主题
 
钙钛矿作为一种新型的半导体材料，正在被广泛地应用在太阳能电池。由于钙钛矿具有良好的光电性质、可调控的带隙及易加工等特性，钛矿太阳能电池在单节和多结电池中均展现出巨大的发展前景。
目前，单结和两结的钙钛矿太阳能电池均拥有良好的发展，功率转换效率分别为 26% 和 29%。从理论上说，三结钙钛矿太阳能电池的功率转换效率更高。
不过，由于宽带隙的、电子伏为 2.0 的顶部钙钛矿会产生光诱导相分离，并会影响功率转换效率和光照稳定性，因此当下三结钙钛矿太阳能电池的效率仅为 20.1%。
科学家制备全钙钛矿三结太阳能电池，最大功率转换效率可达24.3％ 第1张图片


为了抑制光诱导相分离，来自加拿大多伦多大学的研究团队，在顶部钙钛矿中，使用了一个晶格畸变较大的、带隙约为 2.0 电子伏的铷/铯混合阳离子无机钙钛矿，制备了开路电压为 3.21 伏和效率为 24.3%（准稳态效率为 23.3%）的全钙钛矿三结太阳能电池。
科学家制备全钙钛矿三结太阳能电池，最大功率转换效率可达24.3％ 第2张图片


其中，值得一提的是，该电池在最大功率点工作 420 小时以后，依然能够保持 80% 的初始效率。更重要的是，该团队首次实现了全钙钛矿三结光伏的被报道的认证效率。
据多伦多大学博士后王在伟介绍，该成果最关键的意义体现在以下两方面。
首先，大幅度提升了三结钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。
其次，克服了宽带隙光诱导相分离问题，提出了用晶格扰乱抑制光诱导相分离的新机制，有助于探索光稳定的钙钛矿材料。
“该成果在功率转换效率和稳定性方面都有了明显提升。从应用上看，我认为在未来几年之内，全钙钛矿三结太阳能电池效率有望超过目前所有种类的全钙钛矿太阳能电池。”王在伟说。
科学家制备全钙钛矿三结太阳能电池，最大功率转换效率可达24.3％ 第3张图片


多伦多大学博士后王在伟、博士研究生曾乐蔚、博士后祝桐和博士后陈昊为该论文的共同第一作者。多伦多大学爱德华·H·萨金特（Edward H. Sargent）教授担任该论文的通讯作者。
王在伟博士期间就读于瑞士洛桑联邦理工学院，研究重点为全无机钙钛矿太阳能电池。博士毕业后，他来到萨金特教授课题组，希望能把全无机钙钛矿在叠层电池中得到应用。
在一次偶然的契机下，他想到或许可以利用全无机钙钛矿，来解决三结钙钛矿太阳能电池的功率转换效率和光照稳定性不足的问题。
为了验证这个想法，他和课题组成员开启了这项研究。他们先用了近五个月时间，结合课题组在有机无机的倒置（通常称为 pin 型）结构上的工艺，开发了全无机 pin 型结构的钙钛矿太阳能电池，尤其是针对超宽带隙的 2.0 电子伏的钙钛矿太阳能电池。
“解决了全无机 pin 型结构的钙钛矿以后，我们则开始攻克两个铅基钙钛矿之间的中间层问题。然后，再结合此前该领域研究人员在叠层电池中积累的经验，就制备出了全钙钛矿的三结钙钛矿太阳能电池。通过对其带隙、厚度等参数的进一步优化，我们成功地提升了该电池的光伏效率。”王在伟表示。
他介绍说，这篇论文在投递之后，经历了三位审稿人，其中两位都给予了非常高的评价。一位审稿人认为，这项成果在效率方面实现了显著提升，对三结光伏领域来说是很大的突破。并且，该团队对机理的解释非常有新意，对科学的理解也很到位。
不过，在长期光照工作状态下，全钙钛矿三结太阳能电池的光诱导相分离相关的问题仍然存在，接下来该团队会围绕其光稳定性做进一步提升，也会通过对各个子电池的进一步优化来实现钙钛矿三结光伏效率的新突破。
谈及在该项研究中收获的经验，王在伟表示，首先，做科研时不能对自己设限，目前不曾实现的正是自己最应该追求的。其次，在选择科研课题时，尽量避开很多人都能做、也都在做的课题，尽可能去选择那些自认为能够实现且具有重要科学意义的方向。
与此同时，他也强调：“希望这项成果能让领域更多的科研人员感受到这种钙钛矿基多结太阳能电池未来的发展潜力，希望该成果能激发更多研究者探索新型钙钛矿基多结光伏的兴趣，并基于相应器件结构的需求去开发对应的光伏材料，这也是我未来的研究规划之一。”
参考资料：
1. Wang, Z., Zeng, L., Zhu, T. et al. Suppressed phase segregation for triple-junction perovskite solar cells. Nature 618, 74–79 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06006-7


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