提高低成本大面积太阳能电池组件的稳定性

冲绳科技大学研究生院(OIST)的科学家们已经解决了钙钛矿太阳能电池(PSC)这一有前途的太阳能技术的根本缺陷。他们的创新似乎可以一举提高设备的稳定性和可扩展性,并且可能是将PSC推向市场的关键。

与传统的硅电池相比,第三代太阳能电池可有效地将阳光转化为可用的电能,并且制造成本更低。尤其是PSC的低成本和高效率,已经引起了科学界和工业界的关注。尽管它们的性能在实验室测试中令人鼓舞,但这些器件仍具有较低的稳定性,并且必须经久耐用才能商业化生产。

该论文的第一作者,OIST能源材料与表面工程系的博士后学者邱隆斌博士说:“我们需要的太阳能组件至少可以使用5到10年。目前,PSC的寿命要短得多。”科学部,戚亚炳教授领导。

这项研究于2018年12月13日在线发表在《高级功能材料》上,支持先前的证据表明PSC中常用的材料称为二氧化钛会降低设备的性能并限制其使用寿命。研究人员用二氧化锡代替了这种材料,二氧化锡是一种更强的导体,没有这些降解性能。他们优化了使用二氧化锡生产稳定,高效和可扩展PSC的方法。

在实验中,研究人员发现,基于二氧化锡的器件的寿命是使用二氧化钛的PSC器件的三倍以上。邱说:“二氧化钛可以为用户提供所需的设备性能。”

改进的设计

PSC由分层的材料组成,每种材料都有特定的功能。由钙钛矿材料制成的“活性层”以称为光子的颗粒形式吸收入射的阳光。当光子撞击太阳能电池时,它会在有源层中产生带负电的电子和带正电的空穴。科学家通过将活性层夹在两种“传输材料”之间来控制这些电子和空穴的流动,从而产生一个内置的电场。

为了帮助将电子引导到正确的方向,许多PSC都包含“电子传输层”。大多数PSC将二氧化钛用作其电子传输层,但是当暴露于阳光下时,该材料会与钙钛矿起反应并最终使器件退化。二氧化锡可以替代二氧化钛,但是在进行这项研究之前,尚未将其成功地用于大型设备中。

研究人员使用行业中一种称为溅射沉积的常用技术,学习了如何用二氧化锡制作有效的电子传输层。溅射沉积的工作原理是用带电粒子轰击目标材料(此处为二氧化锡),使其向上喷射到等待的表面上。通过精确控制溅射功率和沉积速度,研究人员在大面积上生产出厚度均匀的光滑层。

他们的新太阳能电池实现了20%以上的效率。为了证明这种新方法的可扩展性,研究人员随后制造了5 x 5厘米的太阳能电池模块,其指定面积为22.8平方厘米,发现所产生的设备显示出超过12%的效率。这项研究得到了OIST技术开发和创新中心的概念验证计划的支持,代表了朝着满足PSC效率的当前行业标准迈出的关键一步。

进入市场

研究人员计划继续优化其PSC设计,以生产具有更高效率的大型太阳能组件为目标。该研究小组对柔性,透明的太阳能设备进行了实验,旨在将其优化的PSC设计应用于太阳能窗户,窗帘,背包和可展开的充电装置。

齐教授说:“我们希望将这些设备放大到一个大尺寸,尽管它们的效率已经很合理了,但我们还是希望将其进一步推广。” “我们乐观地认为,在未来几年中,这项技术将可用于商业化。”

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