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单晶钙钛矿太阳能电池:超高光电转换效率
发布:Iron_MAN10   时间:2019/3/11 12:42:20   阅读:775 
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太阳光是地球文明的起源,是生命活动的基石。50亿年前,蓝藻的光合作用逐渐改变了地球无氧的环境,提供生命延伸的摇篮。每一次文明的升级都伴随着能源的革命。从学会火的使用,到蒸汽带动机械,到电气化,随着文明的推进,人类对能源的需求也在飞速增长。如今,全球都在面临的窘境是一方面煤炭天然气石油等存储有限,另一方面信息时代对能源需求的无限化。开发新能源是一条虽然坎坷但是有无限潜能的道路。在众多新能源中,太阳能具有极大的潜力,一方面是因为其清洁、可持续、无污染;另一方面是由于其巨大能源输出功率。每小时太阳光照射到地球具有6.12×1020 J的能量,相当于2010年全球全年的总能源消耗(5.6×1020焦耳)。然而,目前即使是最有效的单晶硅太阳能电池的光电转换效率也只有26.7%。并且其对加工工艺的苛刻要求导致价格不菲,因此单晶硅电池的功率单价在$1.00-$1.50每瓦,即使对工业要求不高的多晶硅,无定形硅电池也要$0.4每瓦,与$0.05每千瓦时的目标相去甚远。

近日,宾夕法尼亚州立大学的太阳能团队提出基于钙钛矿型光电材料的单晶太阳能电池的展望。拥有较单晶硅更优越的光电性能与市场价值,比如直接带隙的能带结构、较长的光生载流子寿命、低成本溶液加工能力,使其在最近几年成为研究热点。单节钙钛矿太阳能电池的效率在2018年已经超过23%。值得注意的是,目前所有高效率的钙钛矿电池都是基于多晶钙钛矿薄膜。相对于单晶而言,多晶具有更多的缺陷和晶界。这些缺陷和晶界会散射光生载流子,从而增加电能的内部耗损。如果将多晶钙钛矿薄膜做成单晶薄膜,电池效率会不会有所突破呢?答案是肯定的。设想一下硅电池的例子,最好的多晶硅电池效率在22%左右,而单晶硅电池可以达到26%。然而制备单晶钙钛矿薄膜并非易事,有许多工艺、制备条件、加工设备上的限制。在该团队发表的前瞻性论文中,他们列举了目前为止所有的单晶钙钛矿电池,包括制备工艺、电池性能,同时也着重讨论了目前单晶钙钛矿电池所存在的问题,包括表面缺陷、材料抛光、材料机械性能、器件设计、装配等等,并且在单晶钙钛矿电池的范围内分享了一些将来或许值得研究的子方向。目前为止,单晶钙钛矿电池相关的成果非常有限,如何突破瓶颈,如何巧妙地设计电池器件结构,如何利用其优异的性能突破目前多晶钙钛矿电池效率的记录,甚至利用诸如热载流子等前沿课题突破肖克利-奎伊瑟极限(S-Q limit,理论上可提至66%),答案或许就在不久的将来。
 

该论文作者为:Wang Kai, Dong Yang, Congcong Wu, Joe Shapter and Shashank Priya

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30530-0):

Mono-crystalline Perovskite Photovoltaics toward Ultrahigh Efficiency?

Joule, 2019, 3, 311, DOI: 10.1016/j.joule.2018.11.009


来源:X-MOL
 
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