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铷元素——将钙钛矿太阳能电池的稳定能量转化率提高


研究背景及关注意义


    钙钛矿太阳能电池(PSC)作为一种具有巨大潜力的太阳能电池,可以提供极具成本效应的太阳能。近年来,钙钛矿太阳能电池备受学术和业界关注,超过20%的已报道电池能量转化效率屡见不鲜。然而,钙钛矿的稳定性问题限制了该种太阳能电池的长期使用效率,使得电池结构随着时间退化,所受影响包括外界的水汽、温度、电磁干扰以及紫外线等等。解决这个问题的一个研究方向为按照钙钛矿的晶格容许度在材料中添加适当的碱金属阳离子,如金属铯,以在不损害光电转化率的情况下提高电池的稳定性。近日,以瑞士洛桑理工学院光分子科学光子和界面实验室为主,联合日本松下公司材料研究实验室的一项研究成果于2016年9月29日在Science杂志上刊载,该研究将氧化态铷离子(Rb+)引入钙钛矿,在小面积上实现了稳定效率21.6%,并做到了在85℃下稳定工作500小时。

    这个项目由Horizon 2020(玛丽居里奖学金)、欧盟第七框架计划的研究(FP7)、瑞士国家科学基金会(SNSF; Umbrella项目)、NRP70“能源周转”项目、CONNECT PV、SNF-NanoTera、瑞士联邦办公室能源(SYNERGY)以及阿卜杜勒阿齐兹王城科学和技术(KACST)联合支持。


研究内容


    2016年9月29日,Science杂志刊载了题为“铷阳离子掺入钙钛矿太阳能电池提高其光伏性能”的研究报告,这项研究由瑞士洛桑理工学院光分子科学光子和界面实验室Michael Grätzel课题组牵头,由日本松下公司材料研究实验室参与共同完成。

    钙钛矿电池目前所有的阳离子掺杂都是遵循其晶格容许度的,Michael Grätzel课题组的Michael Saliba等人发现,将小而稳定的氧化态铷离子(Rb+)引入钙钛矿的“阳离子级联”,可以得到优越的钙钛矿材料性能。实验室得到的RbCsMAFA材料在小面积上实现了21.6%的稳定效率(平均值为20.02%,在0.5 cm2的面积上稳定效率为19%)。其电致发光效率为3.8%,在1.63电子伏特带隙情况下的1.24伏开路电压丧失电位为0.39伏,可比拟商业硅电池的0.4伏。基于这种钙钛矿材料制备的一种聚合物包裹型钙钛矿电池,可以在85℃下,全太阳光辐照以及最大功率跟踪下工作500小时并保持95%的初始性能。课题组已经就相关技术申请了专利。此项目所得到的成果接近了铷掺杂钙钛矿电池可达到电压的理论最高光电转换效率,也就是所谓的“热力学极限”。课题组的博士后Michael Saliba表示,这一研究成果铺就了通向新一代钙钛矿电池工业化的道路。



图1 钙钛矿太阳能电池横截面的扫描电镜图

图2 不同条件下钙钛矿(Perovskites)的容许度(Tolerance Factor)

图3 样品性能测试

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