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鈣鈦礦太陽能電池遭遇“成長的煩惱”上海交大提出解決方法

擁有優異的光電性能,卻天生體格“柔弱”,這是光伏新星——鈣鈦礦太陽能電池——所面臨的“成長的煩惱”。

上海交通大學材料科學與工程學院教授韓禮元團隊通過構建穩定異質結結構,在保證高效率的前提下,提高了鈣鈦礦太陽能電池在工作狀態下的穩定性,對促進鈣鈦礦太陽能電池產業化進程起重要作用。該項研究成果近日在線發表在《Science》。

鈣鈦礦太陽能電池作為一種新型光伏技術,具有成本低、效率高的特點,目前,世界最高光電轉化效率紀錄已達到25%。

作為一種半導體異質結結構光電器件,鈣鈦礦太陽能電池通過鈣鈦礦光吸收層、電荷傳輸層等半導體材料組成的異質結結構來有效分離和提取光生電荷,實現由光能向電能的轉換,但鈣鈦礦電池異質結結構并不穩固,一旦異質結結構被破壞,電池性能就會顯著降低。

究其主要原因,在于由離子組成的鈣鈦礦半導體天生結構“柔弱”,工作條件下,受光照、電場、溫度等作用的影響,產生大量結構缺陷,導致半導體材料發生結構改變甚至分解。分解逃逸出來的離子還會進入電荷傳輸層或電極層,破壞異質結的光電轉換功能,造成整體器件效率的顯著降低,因此穩固鈣鈦礦太陽能電池中“柔弱”的異質結結構,保護光生電荷的分離和提取過程,成為解決穩定性難題的一個重要研究方向。

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圖A,富鉛鈣鈦礦薄膜制備過程;圖B,氯化氧化石墨烯覆蓋于鈣鈦礦薄膜表面;圖C,D,E,異質結結構中氯-鉛鍵,氧-鉛鍵形成;圖F,G,H,穩定性表征:不同異質結結構,電荷傳輸層表面電勢分布。上海交大 供圖為此,韓禮元團隊設計制備了具有穩固結構的鈣鈦礦異質結結構。該結構主要包含一層表面富鉛鈣鈦礦半導體薄膜,且在薄膜表面沉積氯化氧化石墨烯薄膜,形成氯-鉛鍵、氧-鉛鍵,將兩層薄膜結合在一起。

光學、電學等表征實驗結果表明,該異質結結構穩定,可有效減少鈣鈦礦半導體薄膜的分解和缺陷的產生,同時,減少了逃逸離子對電荷傳輸層功能性的破壞。

具有該異質結結構的鈣鈦礦太陽能電池,在一個標準太陽光光強和60攝氏度條件下連續工作1000小時后,保有初始效率的90%,而且,電池的穩態輸出效率通過了國際公認電池評測機構——日本產業技術綜合研究所(AIST)光伏技術研究中心的認證。

該研究團隊的工作提供了一種通過構建穩固的異質結來提高鈣鈦礦太陽電池穩定性的方法,向鈣鈦礦太陽能電池產業化邁出重要一步。

最新統計結果顯示,中國研究單位在鈣鈦礦太陽能電池領域的成果數量已占全球總量的40%。

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