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是什么推动了全无机钙钛矿太阳能电池的开发?


研究背景及关注意义


   对钙钛矿太阳能电池的研究始于2009年,大部分研究都集中在有机-无机杂化钙钛矿材料,目前已有报道的能量转化率已经达到22%,但是,目前钙钛矿电池使用寿命较短,远低于硅基太阳能电池的25年使用寿命。实际上,现有的钙钛矿电池中的有机组分不够稳定,对于太阳能电池领域的应用,全无机钙钛矿要比有机组分稳定性更强。然而无机钙钛矿带隙与太阳光谱的匹配性不好,这会影响电池的最终性能,CsPbI3立方结构则是一个例外,但在通常情况下这种材料的体积稳定只能在高温下达成。如何同时解决无机材料的带隙问题和稳定问题则成为了无机钙钛矿材料的重要研究方向。


研究内容


   2016年10月6日,美国国家可再生能源实验室(NREL)报道了其开发出的一种全无机量子点钙钛矿太阳能电池,这项在Science杂志刊载的研究首次展示了全无机量子点钙钛矿材料的优良性能。由表面活性剂包覆的α-CsPbI3量子点在常温下具有稳定性,并且在可见光范围内具有可调的带隙,这些材料可以通过一种反溶剂技术旋涂成薄膜以减少表面活性剂的损失,使用这种薄膜制备的太阳能电池的能量转换效率为10.77%。

   NREL 的研究人员用CsPbI3 纳米晶体取代了不稳定的有机组分,CsPbI3是杂化阳离子卤化物钙钛矿的全无机类似物,其α-CsPbI3聚集态只能在高温情况下稳定存在,在常温下会迅速转化为其他不可利用的晶相。研究制备了α-CsPbI3量子点纳米晶体,由这种材料制成的薄膜可以在常温下于空气中保持数月的稳定,优于既有的钙钛矿材料,这种稳定性获得了Science杂志的高度认可

   这种纳米晶体的合成过程是将含Cs的油酸溶液滴加到含PbI2前驱体的烧瓶中,再使用乙酸甲酯作为反溶剂移除未反应的前驱体对材料进行提纯,这个提纯步骤是材料稳定性得以提高的关键步骤。这种纳米态晶体不仅在超过华氏600度的温度下稳定存在,在室温以及零下几百度的超低温环境下也具有良好的稳定性。研究人员将这种纳米晶体逐滴滴入乙酸甲酯溶液,形成厚度为100-400纳米的薄膜。将这种薄膜复合到太阳能电池中,所得到的电池具有10.77%的太阳能转换效率,并得到了1.23V的开路电压。这个转换率同已有报道的其他量子点太阳能电池持平,并超过了既有的所有全无机钙钛矿太阳能电池。

   该项目获得了美国能源部科学办公室以及SunShot Initiative下属先进太阳能光物理中心(CASP)的支持。

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