钙钛矿太阳能电池,中国走在世界前列

17-10-01

Permalink 23:20:34, 分类: 佳作转载

钙钛矿太阳能电池,中国走在世界前列

2017年诺贝尔化学奖大热技术—钙钛矿太阳能电池,武汉理工大学程一兵团队已取得实质性突破,与理想的大规模应用越来越近。

程一兵今天上午在他的实验室接受科技日报记者独家采访时说:该团队开发的5cm x 5cm 塑料基板柔性钙钛矿太阳能电池组件,8月8日通过国家光伏质量监督检验中心第三方认证,获得了组件转换效率11.4%的结果,远超日本东芝公司于今年9月25日宣布的5cm x 5cm柔性钙钛矿太阳能电池组件10.5%的转换效率世界纪录。

10cm x 10cm 玻璃基板钙钛矿太阳能电池组件制备技术也获得重大突破,在国家光伏质量监督检验中心验证的组件效率为13.98%,居国际同类产品第三方论证效率首位。

钙钛矿太阳能电池是《科学》杂志评选的2013 年度国际上十大科技突破之一,是一种有望进一步降低光伏发电价格的新型光伏体系。武汉理工大学程一兵团队多年来致力于该光伏产品组件的生产技术开发工作。

前不久,科睿唯安发布了2017年的各奖项“引文桂冠奖”。自2002年以来,45位获得“引文桂冠奖”的科学家荣膺诺贝尔奖,因此该奖被认为是“诺奖风向标”。

今年,科睿唯安化学领域获得“引文桂冠奖”的有三项。其中第三项授予日本的宫坂力(Tsutomu Miyasaka)、韩国的朴南圭(Nam-Gyu Park)以及英国的亨利·J·斯内斯(Henry J.Snaith),他们因为发现并应用钙钛矿材料实现有效能量转换而获奖。

北京时间10月4日2017年诺贝尔化学奖就将揭晓,程一兵在获知“钙钛矿太阳能电池技术”成为2017年诺贝尔化学奖“热门”之后,非常兴奋。程一兵团队在上述两项钙钛矿光伏组件的制备技术上的突破,预示着我国科研人员在钙钛矿光伏组件的制备技术上走在了世界的前列。

钙钛矿型太阳能电池是什么原理?
作者:知乎用户
链接:https://www.zhihu.com/question/23341581/answer/34939338
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钙钛矿型太阳能电池(perovskite solar cells),是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池,即是将染料敏化太阳能电池中的染料作了相应的替换。在这种钙钛矿结构(bf{ABX_3},图1)中,A一般为甲胺基bf{CH_3NH_3},bf{CH_3CH_2NH^{3+}}和bf{NH_2CH!!=!!NH_2,^+}也有报道;B多为金属Pb原子,金属Sn也有少量报道;X为Cl、Br、I等卤素单原子或混合原子。目前在高效钙钛矿型太阳能电池中,最常见的钙钛矿材料是碘化铅甲胺(bf{CH_3NH_3PbI_3}),它的带隙约为1.5 eV。

钙钛矿太阳能电池的结构
如图示,钙钛矿太阳能电池由上到下分别为玻璃、FTO、电子传输层(ETM)、钙钛矿光敏层、空穴传输层(HTM)和金属电极。
其中,电子传输层一般为致密的tt{TiO_2}纳米颗粒,以阻止钙钛矿层的载流子与FTO中的载流子复合。通过调控tt{TiO_2}的形貌、元素掺杂或使用其它的n型半导体材料如ZnO等手段来改善该层的导电能力,以提高电池的性能。目前报道的最高效率(~19.3%)的电池使用的即是钇掺杂的tt{TiO_2}。
钙钛矿光敏层,多数情况下就是一层有机金属卤化物半导体薄膜。也有人使用的是有机金属卤化物填充的介孔结构(tt{TiO_2}、tt{ZrO_2}和tt{Al_2O_3}骨架),或者两者都存在,但没有证据表明这种结构有助于电池性能的提高。
空穴传输层,在染料敏化太阳能电池中,该层多为液态tt{I_3^-/I^-}电解质。由于bf{CH_3NH_3PbI_3}在液态电解质中不稳定,使得电池稳定性差,这也是早期的钙钛矿电池的主要问题。后来,Grätzel 等采用了如spiro-OMeTAD,
PEDOT:PSS等固态空穴传输材料,电池效率得到了极大提高,并具有良好的稳定性。
特别地,钙钛矿还可以同时作为吸光和电子传输材料或者同时作为吸光和空穴传输材料。这样,就可以制造不含HTM或ETM的钙钛矿太阳能电池。

钙钛矿太阳能电池中的物理过程
在接受太阳光照射时,钙钛矿层首先吸收光子产生电子-空穴对。由于钙钛矿材激子束缚能的差异,这些载流子或者成为自由载流子,或者形成激子。而且,因为这些钙钛矿材料往往具有较低的载流子复合几率和较高的载流子迁移率,所以载流子的扩散距离和寿命较长。例如,bf{CH_3NH_3PbI_3}的载流子扩散长度至少为100nm,而bf{CH_3NH_3PbI_{3-x}Cl_x}的扩散长度甚至大于1mu m。这就是钙钛矿太阳能电池优异性能的来源。
然后,这些未复合的电子和空穴分别别电子传输层和空穴传输层收集,即电子从钙钛矿层传输到tt{TiO_2}等电子传输层,最后被FTO收集;空穴从钙钛矿层传输到空穴传输层,最后被金属电极收集,如图2所示。当然,这些过程中总不免伴随着一些使载流子的损失,如电子传输层的电子与钙钛矿层空穴的可逆复合、电子传输层的电子与空穴传输层的空穴的复合(钙钛矿层不致密的情况)、钙钛矿层的电子与空穴传输层的空穴的复合。要提高电池的整体性能,这些载流子的损失应该降到最低。
最后,通过连接FTO和金属电极的电路而产生光电流。

Reference:
1. The emergence of perovskite solar cells, Nature Photonics, 2014, 8, 506–514.
2. Perovskite Solar Cells: From Materials to Devices, Small, doi: 10.1002/smll.201402767.
3. Long-Range Balanced Electron- and Hole-Transport Lengths in Organic-Inorganic CH3NH3PbI3, Science, 2013, 342, 344-347.

爱乐洪哥

莫听穿林打叶声,何妨吟啸且徐行。竹杖芒鞋轻胜马,谁怕?一蓑烟雨任平生。 料峭春风吹酒醒,微冷,山头斜照却相迎。回首向来萧瑟处,归去,也无风雨也无晴。

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