鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)換效率

在科技的發(fā)展道路上，離不開能源的助力，特別是再科技飛速發(fā)展的今天，而地球上的能源有限，就需要科研人員不斷開發(fā)新能源，這就再當(dāng)下最需要研發(fā)太陽能的使用。光伏電池可以從太陽中產(chǎn)生能量，在解決當(dāng)前的環(huán)境危機(jī)方面非常有用。鈣鈦礦光伏電池是由金屬鹵化物鈣鈦礦半導(dǎo)體制成的電池，最近被證明前景無量，因?yàn)檠芯咳藛T已經(jīng)設(shè)法大幅提高了它們的能量轉(zhuǎn)換效率，從3.8%一路提高到25.2%。

這一顯著提高的效率使鈣鈦礦在開發(fā)下一代可低溫處理的光伏技術(shù)方面成為領(lǐng)先的競(jìng)爭(zhēng)者。鈣鈦礦光伏電池可以有兩種主要的設(shè)計(jì)原型:所謂的規(guī)則(n-i-p)結(jié)構(gòu)和倒置(p-i-n)結(jié)構(gòu)。到目前為止，結(jié)構(gòu)規(guī)則的電池實(shí)現(xiàn)了最高的功率轉(zhuǎn)換效率，而結(jié)構(gòu)倒置的電池則實(shí)現(xiàn)了更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。

阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)(KAUST)和多倫多大學(xué)的研究人員最近能夠減少之前觀察到的鈣鈦礦光伏電池(規(guī)則結(jié)構(gòu)和倒置結(jié)構(gòu))之間的效率差距。他們的論文發(fā)表在《自然能源》雜志上，介紹了一種新的設(shè)計(jì)策略，允許他們制造運(yùn)行壽命長(zhǎng)、功率轉(zhuǎn)換效率為22.3%的倒置太陽能電池。

參與這項(xiàng)研究的研究人員Xiaopeng Zheng告訴TechXplore:“效率最高的鈣鈦礦光伏設(shè)備是基于常規(guī)結(jié)構(gòu)，它們必須在空穴運(yùn)輸材料中加入離子摻雜劑。”“通過去除這些不穩(wěn)定的摻雜物，倒置結(jié)構(gòu)的光伏設(shè)備有助于提高該技術(shù)的運(yùn)行穩(wěn)定性。不幸的是，倒置結(jié)構(gòu)鈣鈦礦光伏的能量轉(zhuǎn)換效率明顯落后于常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)備(20.9%比25.2%)。”

Xiaopeng Zheng表示，要想讓鈣鈦礦光伏技術(shù)產(chǎn)生真正的商業(yè)性和環(huán)境影響，研究人員首先需要確保它們?cè)谶\(yùn)行穩(wěn)定性和功率轉(zhuǎn)換效率方面都處于領(lǐng)先地位。他與KAUST和多倫多大學(xué)的同事合作開發(fā)的設(shè)計(jì)策略，可以通過改善通常用于制造光伏設(shè)備的鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)和光電性能來幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

Xiaopeng Zheng和他的同事們?cè)阝}鈦礦材料中加入了微量的鏈長(zhǎng)不同的表面烷基胺配體(AALs)。這使得他們能夠改變材料的一些特性，從而獲得比通常觀察到的倒置結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦光伏太陽能電池更高的能量轉(zhuǎn)換效率。

“我們發(fā)現(xiàn)，在加工過程中，只需微量的烷基胺就足以改變鈣鈦礦材料的性能，其有利的方式如下:(1)促進(jìn)晶粒取向;(ii)抑制陷阱態(tài)密度;(iii)減少載流子的非輻射復(fù)合(即損耗)，提高載流子的移動(dòng)能力和擴(kuò)散長(zhǎng)度;(iv)抑制鈣鈦礦中的離子遷移。”參與這項(xiàng)研究的另一位研究人員Yi Hou告訴TechXplore。

Zheng、Hou和他們的同事利用AAL表面改性鈣鈦礦薄膜表現(xiàn)出a(100)取向，與未改性的薄膜相比，其捕集態(tài)密度顯著降低。它們還提供了增強(qiáng)的載流子移動(dòng)能力和擴(kuò)散長(zhǎng)度，從而使設(shè)備的穩(wěn)定功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到22.3%。

“鈣鈦礦PV是一項(xiàng)年輕的技術(shù)，它們?nèi)匀挥懈倪M(jìn)其穩(wěn)定性的空間，以接近其它成熟的PV技術(shù)，如c-Si和無機(jī)基薄膜，”另一位參與研究的研究員Ted Sargent告訴TechXplore。“我們使用微量烷基胺作為晶粒和界面修飾劑，大大減少了倒置裝置和常規(guī)裝置之間的效率差距。”

研究人員發(fā)現(xiàn)，用他們的方法制造的鈣鈦礦太陽能電池在模擬的AM1.5照明下，最大功率點(diǎn)可運(yùn)行超過1000小時(shí)，而不會(huì)降低效率。在未來，他們引入的設(shè)計(jì)策略可以使鈣鈦礦材料更接近于滿足太陽能電池商業(yè)化所需的苛刻條件。

“在我們研究的下一階段，我們將尋找生產(chǎn)鈣鈦礦PV的方法，在不犧牲高性能和可靠性的前提下打造大面積設(shè)備。”參與研究的另一名研究人員Osman Bakr告訴TechXplore。目前太陽能還未能更好被人類利用，需要科研人員不斷努力，研究出更高效地產(chǎn)品，這樣才能保證我們?nèi)祟惖哪茉磯蛉祟惏l(fā)展所需。