太阳能电池转化效率提升有了新策略

如果人类和能源问题之间是太阳一场赛跑，那么太阳能电池研究就像是池转百米飞人大战，小数点后的化效每一个数字 ，都是率提略科学家争夺的焦点。一直致力于新型钙钛矿太阳能电池研究的新策西湖大学王睿团队 ，又一次在小数点后实现了突破。太阳日前，池转《自然》杂志在线发布王睿实验室最新研究成果，化效他们找到一种新的率提略甲脒铅碘钙钛矿取向成核方法——加入一种叫“戊脒”的“添加剂”，就可以带来更好的新策结晶度
、更低的太阳缺陷，也意味着更高的池转光电效率和更强的稳定性，为钙钛矿太阳能电池的化效转化效率拓展出更大空间。“明星材料”钙钛矿稳定性不足关于太阳能电池
，率提略大家的新策第一印象是，在中国很多城市和村落随处可见的“蓝色屋顶”，那是硅太阳能电池
，已出现很多年 。为什么科学家们还要努力研究钙钛矿太阳能电池
？近年来，钙钛矿电池在实验室实现单片小面积的光电转化率达到25%甚至更高，堪比硅太阳能电池40年的发展速度。理论上
，钙钛矿太阳能电池通过叠层方法 ，光电转化率可以超过40%
，并且与硅太阳能电池材料相比 ，更轻薄 、高效  、低成本，甚至可以是柔性的。想象一下，未来像刷墙漆一样，在建筑物外面涂上钙钛矿太阳能电池 ，就能给房子供电。但这种被科学家寄予厚望的“明星材料”，却有一个致命缺陷 ，即稳定性不足 ，在低温下形成
，也容易在低温下分解 ，且怕水怕氧。因此王睿实验室内大部分的操作
，需要在手套箱里完成，那里充入了氮气，隔绝了水和氧
。“我们的任务就是对症下药
，提高钙钛矿太阳能电池的转化率和稳定性 ，直至它能真正进入并改变人类生活。”王睿说
。“长尾巴”戊脒有特效当前光活性黑相甲脒铅碘钙钛矿(FAPbI3)是高效钙钛矿光伏最有前景的材料 。有趣的是 ，从钙钛矿的“面相”，能看出它的性能 。长得好的甲脒铅碘钙钛矿，呈现黑色，专业上叫“黑相”；长得不好的晶体 ，会呈现黄色 ，专业上叫“黄相” 
。“黑相”意味着整齐完整的钙钛矿晶体结构 ，电流产生时可以畅通无阻 。然而，甲脒铅碘钙钛矿晶体在形成过程中，常常会出现“黑黄相间”的现象
。虽然之前的研究者已开发出一些方法以避免这样的杂糅
，但甲脒铅碘钙钛矿结晶的速度太快，在数秒内就可以完成，这使得人们一直未能“看清”结晶过程中的变化机理。如何在这个过程中控制只产生“纯黑相”的甲脒铅碘钙钛矿 ？2019年 ，王睿团队在做钙钛矿表面二次生长研究时 ，就注意到一种叫“油铵碘”的物质可以帮助晶体更好地生长  。“油铵碘”是一种带有“长长尾巴”的有机化合物 ，这个尾巴就是“烷基链”。研究团队猜测
，影响晶体生长的关键可能就是“这条尾巴”。他们选择了把三种同样带有“烷基链”的有机分子丙脒(PRD)、丁脒(BAD)、戊脒(PAD)，分别添加到甲脒铅碘钙钛矿晶体生长过程中。结果发现，拥有最长“烷基链”的戊脒，果然效果最好。2022年 ，王睿与合作团队在此前工作的基础上，设计了全新的表面处理策略 ，使钙钛矿电池可稳定工作超过2000小时，这是当时已报道的最长工作时间之一。这一次
，他们通过戊脒的探索来优化结晶机制，适用于改善不同薄膜制备方案下的光伏器件性能 。最终的测试数据显示，小面积器件实现了25.4%的光电转换效率 ，而大面积模组也实现了21.4%的第三方认证光电转换效率 。在稳定性方面 ，采用戊脒制造的器件在1000多小时后仍保持了初始光电转化效率的95%；在加速老化测试中，引入戊脒的器件在恒定照明下超过500小时后仍保持了82%以上。“这仅仅是戊脒优化策略的‘第一次’成绩。”王睿说，未来它还有很大的提升空间，“这项研究更重要的意义在于方法优化和原理探索同时进行，为接下来的探索铺平了道路。”举报/反馈