低成本钙钛矿电池 “电”你没商量
发布时间: 2014-5-6 12:01:53 被阅览数: 2931 次 来源: 中国科学报
    最热门的太阳能电池材料再次获得进展。在近日召开的材料研究学会会议上,3个研究小组报告称,被称为钙钛矿的便宜、易制取的晶体材料打破了之前的效率纪录。一个小组将太阳能转化为电能的效率提高至接近20%,高于2月所报告的16.2%以及5年前的3.8%。很少有太阳能技术曾进步如此之快。
    “这是激动人心的时刻。”英国牛津光伏公司物理学家Edward Crossland表示。该公司致力于商业化推广钙钛矿太阳能技术。“新想法源源不断地出现。”许多太阳能专家表示,钙钛矿令人印象深刻的特性最终会使单个设备的效率高达25%,从而与现在的商业冠军——昂贵的单晶硅持平。在传统太阳能电池上分层覆盖钙钛矿电池形成“串联”电池可以使其效率升至32%。据美国能源部估测,这将使太阳能发电与煤或天然气一样便宜。
    钙钛矿进入人们视野已近两个世纪。但是其可将太阳能转化为电能的能力直到2009年才被发现,当时日本桐荫横滨大学的Tsutomu Miyasaka将钙钛矿作为吸光层加入到染料敏化太阳能电池(DSSCs)设备中,效率达3.8%。研究人员很快意识到,钙钛矿不仅善于捕捉日光,还可以运送电荷。
    于是科学家开始对钙钛矿修修补补,使其效率不断增长。在材料研究学会会议上,美国加州大学洛杉矶分校材料学家Yang Yang报告称,他的团队已经制造出效率为19.3%的太阳能电池。Yang并未提供关于其团队制造电池的细节。不过他表示,其团队专注于对钙钛矿晶体缺陷的技术改善,以及设备中不同材料层之间接口的改进。韩国成均馆大学化学家Nam-Gyu Park表示,这些缺陷和界面问题通常会影响电荷,阻止其到达电极。对晶体增加方式的改进令Park的团队所研制的钙钛矿太阳能电池的效率达到了17.01%。
    对钙钛矿和主流材料的配对也取得了进展。斯坦福大学材料学家Michael McGehee报告称,他的团队所制造的太阳能电池将钙钛矿材料与铜、铟、镓和硒(CIGS)合金串联,效率为18.6%。CIGS电池本身的效率为17%,所以在这种情况下,钙钛矿并未使效率增加多少。McGehee表示,这很可能是因为钙钛矿的电极和其他不吸光层阻止了大部分阳光到达CIGS电池中。他认为,该问题相对容易解决:因为与CIGS和单晶硅相比,钙钛矿吸收更偏蓝色波长的光,因此在每组电极之间结合两个吸光层可以使材料得以改善。“这是获得20%以上效率的一个简单方法。”McGehee说道。

    即使钙钛矿的效率不能达到一定的高度,其低成本还是能成为其优势。例如,牛津光伏公司正在努力制造基于窗户的钙钛矿光伏(PVs)。使用DSSCs的窗户PVs已经进入市场很多年,钙钛矿则可以改善其效率。不过,Crossland指出,目前所制造的大多数钙钛矿电池的色调都是褐色,很难向那些设计摩天大厦的建筑师进行推广。在会议上,牛津大学的Giles Eperon报告称,通过分块而不是整体加工钙钛矿,他和同事制造出了中性颜色、半透明的钙钛矿电池,其效率可达8%。Crossland称,如果效率为6%的窗口PVs用于覆盖一个和芝加哥威利斯大楼差不多大小的建筑,这些玻璃每年就会产生近5.3千瓦·时的能量。
    不过这不能维持多久:现在,这些材料暴露于水分时会分解。尽管几个团队报告表示,在较低效率的前提下,他们现在可以使电池工作数百个小时。“这项技术的发展还处于非常初级的阶段。”Yang说道。

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