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钙钛矿(Perovskite),是一类有着与钛酸钙(CaTiO3)相同晶体结构的材料。对于这种材料的具体结构,笔者之前的文章中多次介绍,这里就不赘述了。


相比以共棱、共面形式连接的结构,钙钛矿结构更加稳定,有利于缺陷的扩散迁移。因此,钙钛矿也具备了许多异乎寻常的物理化学特性,例如电催化性、吸光性等等。

钙钛矿材料的应用前景非常广,例如光通信、数据存储、太赫兹通信、太阳能电池领域。目前,备受关注和追捧的要属钙钛矿太阳能电池。钙钛矿太阳能电池投入市场以及大规模应用指日可待,并有望引领未来太阳能电池市场的新走向。

韩国蔚山国立科技研究所(UNIST)发明的钙钛矿太阳能电池


阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)采用钙钛矿纳米晶体进行照明和数据通信


瑞士洛桑联邦理工学院采用钙钛矿材料进行数据存储


虽然钙钛矿的发展潜力巨大,但是仍有一些因素阻碍了其效率和一致性。钙钛矿晶体结构中的小缺陷,也称为“陷阱(traps)”,将引起电子在其能量能被利用之前产生“迟滞效应”。电子在太阳能电池材料中运动得越方便,材料将光子(光的粒子)转化电力的效率就会越高。另外一个问题,就是在遭到光线照射时,离子会在太阳能电池中移动,从而引起能带隙(bandgap)的变化,即材料吸收的光线颜色会发生变化。

创新

近日,英国剑桥大学(University of Cambridge )领导的国际科研团队发现,碘化钾的加入可以修复缺陷,阻止离子运动,提升低成本钙钛矿太阳能电池的效率。这种新一代的太阳能电池可以作为效率提升层,放置于现有的硅基太阳能电池顶部,或者制作成单独的太阳能电池或者彩色LED。研究结果发表于《自然(Nature)》杂志。

钙钛矿晶体生成的原子尺度图像


技术

这项研究中用到的太阳能电池是基于金属卤化物钙钛矿,它们是一组很有前途的离子半导体材料,只有短短几年的开发历史,但是现在从光电转换效率方面来说,它们可与商用的薄膜光伏技术相媲美。钙钛矿廉价且易于在低温条件下制造,这使得它们非常适合下一代太阳能电池和照明。

研究的领头人、剑桥大学卡文迪什实验室的博士 Sam Stranks 表示:“迄今为止,我们还没能使得这些材料稳定地达到我们想要的能带隙,所以我们一直尝试通过调整钙钛矿层的化学成分,阻止离子运动。这将使得钙钛矿可以作为多种钙钛矿电池或者彩色LED(从本质上以逆向方式运行的“太阳能电池”)使用。

在这项研究中,研究人员将碘化钾添加到钙钛矿墨水中,这种墨水可自组装到薄膜中,改变了钙钛矿层的化学成分。这种技术兼容卷对卷制程(roll-to-roll processes),这意味着它是廉价且可扩展的。碘化钾在钙钛矿的顶部形成一个“装饰”层,可以修复缺陷,使得电子运动得更加自由,同时也限制了离子的运动,从而使得材料在期望的能带隙条件下更加稳定。

价值

研究人员论证了,这种钙钛矿的能带隙性能颇具前景,非常适合作为硅太阳能电池顶层或者和配合另外一层钙钛矿使用(因此称为“叠层太阳能电池”)。硅叠层太阳能电池很可能是钙钛矿首个大规模应用。通过添加一层钙钛矿,光线中更广范围的光谱可被更有效地吸收。

Stranks 的研究受到了欧盟和欧洲研究理事会“地平线2020”项目的赞助。他说:“通过钾,我们使得叠层太阳能电池中的钙钛矿能带隙变成我们期望的那样稳定,并使得它们更多地发光,这意味着太阳能电池的效率将更高。它几乎完全控制了钙钛矿中的离子和缺陷。”

卡文迪什实验室的博士生、论文的第一作者 Mojtaba Abdi-Jalebi 表示:“我们发现钙钛矿对添加剂非常宽容,你可以增加新成分,它们会变得更好。与其他光伏技术不同,我们无需添加额外一层来提高性能,只需将添加剂简单地混合到钙钛矿墨水中。”

钙钛矿和钾组成的器件在测试中显示出良好的稳定性,光电转换效率达21.5%,与目前最佳的钙钛矿基太阳能电池相似,而且接近硅基太阳能电池的实用效率极限(29%)。由两层钙钛矿组成的、具有理想能带隙的叠层电池的理论效率极限是45%,实际极限是35%,这两个值都高于目前硅的实际效率极限。


  • Sep 23, 2018
  • Category: OLED/PLED
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