科学家开发出具有更大尺寸功率和稳定性的钙钛矿太阳能电池组件

冲绳科技大学研究生院(OIST)的研究人员通过使用减少缺陷的新制造技术，创造了具有更高稳定性和效率的钙钛矿太阳能电池组件。他们的发现发表于1月25日的“先进能源材料”杂志上。钙钛矿是下一代太阳能技术最有前途的材料之一，在短短十年间，其效率从3.8%飙升至25.5%。钙钛矿太阳能电池的生产成本低廉，并且具有柔性的潜力，从而增加了其多功能性。但是，仍然有两个障碍阻碍着商业化：它们缺乏长期的稳定性和规模升级的困难。

OIST能源材料与表面科学系的博士后研究员郭国庆博士说：“钙钛矿材料易碎且易于分解，这意味着太阳能电池难以长期保持高效率。”亚冰淇。“尽管小型钙钛矿太阳能电池具有很高的效率，并且其性能几乎与硅钙钛矿一样好，但是一旦规模扩大到更大的太阳能电池组件，效率就会下降。”

在功能性太阳能装置中，钙钛矿层位于中心，夹在两个传输层和两个电极之间。当活性钙钛矿层吸收阳光时，它会生成电荷载流子，然后通过传输层流到电极并产生电流。

通过添加氯化铵，所得的钙钛矿膜具有较少的晶粒，尺寸大得多，减少了晶界的数量。信用：OIST

然而，钙钛矿层中的针孔和单个钙钛矿颗粒之间的边界处的缺陷会破坏电荷载流子从钙钛矿层到传输层的流动，从而降低了效率。湿度和氧气也会开始在这些缺陷部位降解钙钛矿层，从而缩短设备的使用寿命。

Tong博士解释说：“扩大规模具有挑战性，因为随着组件尺寸的增加，很难形成均匀的钙钛矿层，而且这些缺陷变得更加明显。” “我们想找到一种制造大型模块的方法来解决这些问题。”

目前，大多数生产的太阳能电池都具有钙钛矿薄层-厚度仅为500纳米。从理论上讲，钙钛矿薄层可以提高效率，因为电荷载流子的行进距离较小，可以到达上方和下方的传输层。但是，当制造更大的模块时，研究人员发现薄膜通常会出现更多的缺陷和针孔。

因此，研究人员选择制造5 x 5 cm 2和10 x 10 cm 2的太阳能电池组件，其中包含钙钛矿薄膜的厚度是其两倍。

然而，制作更厚的钙钛矿薄膜面临着一系列挑战。钙钛矿是一类材料，通常是通过将许多化合物作为溶液反应，然后使其结晶而形成的。

但是，科学家们一直在努力溶解足够厚的膜所需的足够高浓度的铅碘(一种用于形成钙钛矿的前体材料)。他们还发现结晶步骤是快速且不可控制的，因此厚膜包含许多小晶粒，且具有更多的晶界。

因此，研究人员添加了氯化铵以增加铅碘的溶解度。这也使碘化铅更均匀地溶解在有机溶剂中，从而形成了更均匀的钙钛矿薄膜，其晶粒更大，缺陷更少。随后从钙钛矿溶液中除去氨，从而降低了钙钛矿膜内的杂质含量。

总体而言，尺寸为5 x 5 cm 2的太阳能电池组件的效率为14.55%，高于未使用氯化铵的组件的13.06%，并且能够在两个月内工作1600小时(超过此效率的80%) 。

研究人员创建了5x5 cm2和10x10 cm2的太阳能模块，比传统上在实验室中制造的1.5 x 1.5 cm2大得多，但比商用太阳能电池板小。信用：OIST

较大的10 x 10 cm 2组件的效率为10.25%，并在1100个小时以上(约46天)内保持高效率。

Tong博士说：“这是首次报道这种尺寸的钙钛矿型太阳能组件的寿命测量，这确实令人兴奋。”

这项工作得到了OIST技术开发和创新中心的概念验证计划的支持。这些结果是朝着寻求生产具有效率和稳定性以匹配其硅对应物的商业规模太阳能模块迈出的有希望的一步。

在研究的下一阶段，该团队计划通过使用基于蒸汽的方法(而不是使用溶液法)制造钙钛矿型太阳能电池组件来进一步优化其技术，现在正尝试扩大到15 x 15 cm 2的组件尺寸。

“从实验室大小的太阳能电池到5 x 5 cm 2的太阳能电池组件很难。要跳到10 x 10 cm 2的太阳能电池组件更难。而要达到15 x 15 cm 2的 太阳能电池组件，则仍然很难，童博士说。“但是团队期待挑战。”

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