美研制全世界首块全碳太阳电瓶,新型钙钛矿太

新能源利用已经成为全球应对能源挑战的新途径,而取之不竭用之不尽的太阳能最受人们重视,将成为未来重要电力来源。太阳能电池近年来逐渐受到重视,新的研发不断持续,太阳能电池的效率也在不断提升,但技术成本依然是制约其发展的根本原因。

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电工电气网】讯

  研究和发展高效率、低成本的新型太阳能电池是解决日益严峻的能源和环境问题的有效途径。作为一种新型第三代太阳能电池,钙钛矿电池具有高转换效率,便于制造和低成本优势,受到了大量的关注。然而,目前的太阳能电池仍存在其有机材料的低结晶度、低迁移率、在工作环境中分解等缺点。光电国家实验室王鸣魁教授针对以上难题,采用全印刷方式构造了一种全新钙钛矿电池,有望进一步降低成本、提高效率和稳定性、推进新型太阳能的工业化。

近日,美国斯坦福大学研制出全球首块全碳太阳能电池,由于其选用碳材料并且拥有超薄的外形,因此其能够在保持性能的同时大大降低成本,为推广太阳能电池大规模应用,替代材料昂贵的光电设备开辟了道路。

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。

近日,日本冲绳科学技术大学院大学的研究人员采用一种稳定、高效且相对便宜的钙钛矿材料开发出新型太阳能电池。

  9月21日,王鸣魁的论文“简化结构柔性钙钛矿太阳能电池的工作机制”发表在纳米快报。此前,相关研究成果因素已于9月刊发于《纳米材料能源》,论文题为“基于印刷制备的介孔二氧化钛/氧化铝/氧化镍/碳框架结构高效率钙钛矿太阳能电池”。

该电池被称为世界上首块全碳太阳能电池并不过分,因此前的“全碳”太阳能电池仅仅是确保了电池活跃层全部采用碳材料,而该电池则采用了100%的全碳材料,甚至包括电极在内。对全碳太阳能电池进行研究十分有必要,因为这种电池能够适应多种极端环境,甚至包括593℃温度环境等,保持正常的性能应用。

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。

背景

  据介绍,钙钛矿太阳能电池工作的核心主要包含电子收集层、钙钛矿活性层及空穴收集层,以实现对太阳光的捕获以及光生载流子的分离和传输。目前,高效率电池器件中电子收集层或者空穴收集层之一主要为有机材料。而有机材料必须面对低结晶度、低迁移率、在工作环境中分解等缺点。

据悉,该电池光吸收层由碳纳米管和巴基球组成,电极则使用了石墨烯材料。该电池可以作为涂层应用于建筑物、汽车等物体上以收集能源。不过目前该电池还有待继续完善,主要是其能量收集效率很低,还不足1%,而且只能吸收近红外光谱部分的光。因此研究人员正在积极突破这两大难题,希望该电池能够真正进入实用阶段。

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%。

太阳能,是颇具代表性的新能源之一。其优势包括:清洁、可再生、无污染、易获取等等。为了将太阳光的能量直接转化为电能,我们通常要借助一种设备:太阳能电池。如今,太阳能电池在我们的身边到处可见,例如:窗户、墙壁、汽车、智能手机、平板电脑等物品中都会见到太阳能电池的身影。

  王鸣魁团队和美国加州大学洛杉矶分校国际知名的太阳能电池研究专家 Yang Yang 教授合作,系统性研究无电子选择传输层的钙钛矿平板器件及其工作机理,发现器件电荷的储存是影响器件工作的首要原因。王鸣魁在实验室前期研究的基础上,采用全印刷方式构造了一种全新的基于无机氧化物P-i-N框架的钙钛矿电池。该电池应用P-i-N结提供电荷漂移的电场,能够获得更好的光生载流子的收集效率,实现了器件光电转化效率的提升。借助电化学阻抗技术等界面动力学研究手段,研究人员成功观察到器件内部光生电荷复合过程,并首次在试验中观察阳离子迁移对钙钛矿电池性能影响。

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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。

迄今为止,大多数的太阳能电池都是由硅制成,因为这种材料非常善于吸收光线。可是,硅面板的制造成本却很昂贵。

标签: 太阳能

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。

科学家们一直都在研究由钙钛矿组成的结构,使之成为硅的替代品。真正的钙钛矿,是一种存在于地球中的矿物,它由钙、钛、氧分子经过特殊排列而成。具有相同晶体结构的材料称为钙钛矿结构。

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。

相比于共棱、共面形式连接的结构,钙钛矿结构显得更加稳定,更有利于缺陷的扩散迁移。因此,钙钛矿具备了许多优异的物理化学特性,例如电催化性、吸光性等。

第二代太阳能电池,即薄膜太阳能电池,重量轻,可制成柔性电池。

钙钛矿结构非常适合作为太阳能电池吸收光线的活性层,因为它们吸收光线的效率比硅更高,且成本更低廉。将钙钛矿结构集成到太阳能电池中,需要采用的设备也相对简单。例如,它们可以溶解到溶剂中,直接喷涂到基底上面。

然而,它们是由稀有材料制成,结构复杂,需要高温处理。

由钙钛矿结构组成的材料有望为太阳能电池设备带来一场革命,但是却具有一个严重的缺陷:它们通常很不稳定,在高温条件下性能会退化。这严重阻碍了它们的商用。

近年来,随着生产高pce、易制造、低成本的太阳能电池板的研究目标,科学家们一直在研究第三代太阳能电池。

创新

钙钛矿太阳能电池作为一种新型的第三代太阳能电池,由于其功率转换效率高、制造工艺简便、成本低等优点,近年来受到了广泛的关注。

日本冲绳科学技术大学院大学能量材料与表面科学单位的研究人员,由YabingQi教授领导,采用一种稳定、高效且相对便宜的钙钛矿材料开发出太阳能电池,同时也为这种钙钛矿材料未来在太阳能电池中的应用铺平了道路。

为改善PCEs及降低半透明太阳能电池板的成本,理大研究人员研发出首个以石墨烯为电极的半透明钙钛矿太阳能电池。

他们的研究论文最近发表于《先进能源材料(Advanced Energy Materials)》杂志。博士后学者JiaLiang博士和ZonghaoLiu博士对这项研究作出了主要贡献。

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技术

石墨烯是太阳能电池透明电极的理想候选材料,具有高透明性、良好的导电性和潜在的低成本。

这种材料具有几种关键特征。首先,它是完全无机的,因为有机成分通常不耐热,性能会在高温条件下退化。因为太阳能电池会在太阳光照射下变得过热,所以热稳定性显得非常关键。通过无机材料取代有机成分,钙钛矿太阳能电池会变得更加稳定。

太阳能电池的半透明特性使其能够吸收两侧的光线,可广泛应用于窗户、立面、百叶和建筑物屋顶,将太阳能转化为电能,从而大大增加了收集太阳能的表面积。

这种全无机钙钛矿太阳能电池具有几层。底层是仅有几毫米厚的玻璃,第二层是透明导电材料FTO,接下来是由二氧化钛组成的电子活性层,第四层是光敏钙钛矿,顶层是碳。

石墨烯作为一种先进材料,早在十多年前就已被发明出来,而理大则创新了简单的处理技术来提高石墨烯的导电性,以满足其在太阳能电池中的应用需求。

论文作者之一的ZonghaoLiu博士说:“太阳能电池在暴露于光线中300小时后,几乎未发生改变。”

首先,石墨烯的电导率显著提高,通过在导电聚合物聚(3,4-乙二氧噻吩):聚(PEDOT:PSS)的薄层上涂覆一层导电聚合物,该聚合物在叠层过程中也被用作钙钛矿活性层的附着力层。

然而,所有的无机钙钛矿太阳能电池都比有机无机混合物的光线吸收率要低。第二个特征也由此而来:OIST的研究人员将新型电池与锰掺杂,以改善其性能。锰改变了材料的晶体结构,提升了光线吸收能力。Liu表示:“就像你将盐放入一盘菜中来改变它的口味一样,当我们添加锰的时候,它改变了太阳能电池的特性。”

其次,为了进一步提高功率转换效率,理大研究人员发现,采用多层化学气相沉积石墨烯作为顶部透明电极制作太阳能电池,可以在保持电极高透明度的同时,进一步降低电极的板电阻。

第三,在这些太阳能电池中,在太阳能电池之间传输电流的电极和外部电线都是由碳组成,而不是通常用的金。这些电极特别便宜且易于制造,一部分是由于它们能够直接印刷到太阳能电池中。从另外一方面说,制造金电极则需要高温条件以及真空室等特殊设备。

最后,通过改进钙钛矿薄膜上的顶部石墨烯电极与空穴传输层(spiro-OMeTAD)的接触,进一步优化了本发明的性能。

价值

由于石墨烯具有良好的机械弹性,且制备方便,本发明可用于印刷或卷对卷工艺的半透性钙钛矿太阳能电池的批量生产。

总结一下,这项研究开发出的钙钛矿太阳能电池具有几项优势:热稳定性好、光线吸收率高、制造工艺简单且成本低。因此,这项研究也为未来钙钛矿太阳能电池的大规模商用奠定了基础。

这种半透明的太阳能电池将填补现有太阳能电池无法填补的市场空白。

未来

在变成像硅太阳能电池一样的商用产品之前,钙钛矿太阳能电池仍有一系列的挑战需要克服。例如,钙钛矿太阳能电池可保持运行一到两年,而硅太阳能电池可运行达二十年。

为了改善这些新型电池的效率和持久性,Qi及其同事们正努力工作,同时也在开发制造商用产品的工艺。2009年,首个太阳能电池被报道开发出来。此后,这项技术进展迅猛,这些新型电池的前景看上去很光明。

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