新型无铅钙钛矿材料在室内光伏应用效率上创下新高
由于效率很是显著，基于钙钛矿的光伏技术已经取得了飞快的发展。然而对于注重环保的工程师们来说，其中含有的重金属铅，也是一个相对尴尬的存在。 好消息是，近日来自中英联合科学团队的一项新研究，为我们揭示了一种更加安全、环保的新方案。 更棒的是，其不仅能够从室内照明中获取能量，还有着相当惊人的效率。
研究配图 - 1：晶体结构、X 射线衍射图、薄膜结构/光学性质、以及吸收系数。
据悉，这项研究的重点，在于找到受钙钛矿启发、可用于下一代太阳能光伏面板的新型无铅材料（PIMs）。
其具有与卤化铅钙钛矿相似的典型结构，但不含相同的有毒成分，因而能够做到更加环保且安全。为此付出的代价，通常是难以达成相同的光能吸收效率。
研究配图 - 2：能带结构 / 光谱 / 器件电流密度与电压曲线。
不过在近日发表于《先进能源材料》期刊上的一项研究中，该团队已经介绍了某种演示用的 PIM 材料，并深入了解了它在室内照明条件下的性能表现。
结果发现，尽管带隙太宽，导致其无法在光伏面板类应用中胜任，但却相当适合在室内使用。
研究配图 - 3：印刷器件的逆变电压传递特性和增益。
研究人员指出，该 PIM 材料在阳光下的效率约为 1%，但在室内照明条件下的效率高达 5% 。
尽管与某些室内钙钛矿光伏面板的效率还有很大的差距，但丝毫不逊于目前的室内光伏行业标准。
研究配图 - 4：单色光下的阶次功率范围 / 器件光损耗分析。
研究合著者，来自伦敦帝国理工学院的 Robert Hoye 博士表示：“通过吸收家中或建筑物常见灯具发出的光线，这些材料可将光再转为电能，且效率已达商业应用的水平”。
即便如此，研究团队仍已确定多项潜在的改进，以使新材料可在不久的将来达成超越目前室内光伏技术的性能，最终为手机、扬声器、可穿戴设备传感器等终端补充能量。
研究配图 - 5：无铅钙钛矿光伏材料的效率与极限。
研究合著者，来自苏州大学的 Vincenzo Pecunia 教授补充道：“除了具有环保的特性，新材料还可再非常规基材上架构，比如传统技术不兼容的塑料或织物面料上”。
展望未来，这项技术还有望为可穿戴设备、医疗保健监测、智能家居、以及智能城市等无电池设备供电。
首先钙钛矿太阳能电池前景是能够更清洁、更易于应用、制造成本低。虽然钙钛矿太阳能电池的研究如火如荼，但面临的问题也值得关注。首先，这种新型太阳能电池在组装过程中存在稳定性问题，包括材料的稳定性和高效电池器件的稳定性，有机-无机杂化钙钛矿材料含有重金属铅，更好的保障对于电池的保护和利用等各种功能。
其次是针对钙钛矿太阳能电池表面缺陷和水分侵蚀引起的稳定性问题，利用该系列卟啉小分子钝化钙钛矿表面缺陷。机理研究取得重要进展。研究发现，利用这一系列卟啉分子CS0、CS1、CS2处理钙钛矿表面，由于卟啉的疏水性，不仅可以有效钝化钙钛矿表面缺陷，从而抑制钙钛矿/HTM界面之间的非辐射复合。
再者可以通过在薄膜形成的两个不同阶段引入功能性氟化分子，探索了一种减少多晶钙钛矿薄膜缺陷的方法。基于DP策略的PSCs有效抑制了钙钛矿表面和GBs缺陷的形成，同时提高了器件性能和稳定性。新的DP策略通过缺陷钝化延长载流子寿命并抑制非辐射复合损失，从而将VOC从1.10V增加到1.18V，相应的VOC损失为0.39V。
要知道光生电子的提取和光生空穴的排斥力同时减弱，使界面处电子的转移效率急剧下降，导致载流子复合严重，器件的PCE降低。这一新认识提高了对钙钛矿光伏器件结构和异质结界面的理解，解释了无ETL器件PCE低的原因。因此，他们提出了一种新的解决方案，通过延长载流子寿命来解决无ETL钙钛矿光伏器件转换效率低的问题。
首先，perovskite太阳能电池的前景是更清洁、更易于应用和更低的制造成本。尽管对perovskite太阳能电池的研究正在如火如荼地进行，但它面临的问题值得关注。首先，这是新型太阳能电池在组装过程中存在稳定性问题，包括材料稳定性和高效电器稳定性，有机和无机混合材料含有重金属和铅，改进电池保护和使用及其他任务。
为了解决由表面缺陷和钙化太阳能电池腐蚀引起的稳定性问题，研究机制取得了重大进展。结果表明，使用该系列的硼化酶CS0、CS1、CS2分子对表面进行处理钙片，一种疏水的硼砂，只能有效地破坏钙片表面缺陷，从而抑制钙片/htm接口的非放射性成分。
此外，可以通过在薄型形成的两个不同阶段引入技术氟化分子来探索减少薄型钙化晶体缺陷的方法。..公安警察根据DP World的战略可以有效防止GBS表面形成钙片缺陷，提高机器性能和稳定性。新战略迪拜港口将VOC从1.10v增加到1.18v，并通过使缺陷麻木和防止非辐射延长载体寿命损失之船。
重要的是要知道接口中的电子传输效率急剧下降，导致输送机的危险重组和设备的PCE降低。这种新的理解增强了对光学设备接口结构的理解，解释了为什么低PCE无需TL设备。因此，它提出了一种新的解决方案，通过延长载体寿命来解决无ETL钙片光学设备转换效率低的问题。
导读
背景
随着大气中的二氧化碳水平达到 历史 最高记录，极端天气事件越发频繁，全世界正在从依赖于矿石燃料的传统能源系统向以太阳能为代表的可再生能源系统转变。
目前大多数的太阳能电池都是由硅制成，因为硅善于吸收光线。可是，硅面板的制造成本却非常高。然而，钙钛矿吸收光线的效率比硅更高，成本更低廉。
因此，钙钛矿非常适合作为太阳能电池吸收光线的活性层。将钙钛矿结构集成到太阳能电池中所需的设备也相对简单。例如，钙钛矿结构可以溶解到溶剂中，然后直接喷涂到基底上。
钙钛矿太阳能技术很有前景，但是商业化的关键挑战在于，它会向环境排放污染物例如铅，特别是在极端气候条件下。铅所固有的不稳定性与毒性，引起了人们对于铅基钙钛矿的可行性的严重忧虑，阻碍了基于这些材料的太阳能电池以及类似器件的大规模商用。
创新
近日，日本冲绳科学技术大学院大学（OIST）的科学家们报告称，环氧树脂保护层有利于防止钙钛矿太阳能电池的污染物泄露。在钙钛矿太阳能电池顶部添加一层聚合物，可彻底降低其向环境中排放铅的量。这项研究有力提振了钙钛矿太阳能电池的商业化前景。
这项研究（发表在《自然能源（Nature Energy）》期刊上）的领导者、能源材料与表面科学课题组的领头人 Yabing Qi 教授表示：“尽管钙钛矿太阳能电池能以较低成本将太阳光高效地转化为电力，但是它们却含有铅，这样会造成相当大的环境问题。”
“虽然所谓的‘无铅’技术值得 探索 ，但是它尚未达到铅基方案的效率与稳定性。因此，寻找既能在钙钛矿太阳能电池中使用铅又能使它不泄露到环境中的方案，是商业化的关键一步。”
技术
在OIST技术开发和创新中心的概念验证项目的支持下，齐（音）教授的课题组首先 探索 出将保护层添加到钙钛矿太阳能电池中的封装方法，从而搞清楚哪种材料能最好地防止铅泄露。他们将不同材料封装的电池暴露于人为设计的各种环境中，以模仿电池在真实世界中会遇到的各种天气。
他们想要测试太阳能电池在最糟糕的天气情况下的表现，以搞清楚可能产生的最大铅泄露。首先，他们用一个大球猛烈撞击太阳能电池，模拟有可能打破结构并照成铅泄露的极端冰雹天气。接下来，他们向太阳能电池上浇酸性水，模拟有可能将泄露的铅输送到环境中的雨水。
团队采用质谱分析法分析酸雨，从而判断有多少铅从电池中泄露出来。他们发现，环氧树脂层实现了最少的铅泄露，比其他材料要低几个数量级。
环氧树脂也在一系列的天气条件下表现得最好。在这些天气条件下，阳光、雨水和温度都被改变，以模仿钙钛矿太阳能电池的运行环境。在包括大雨的所有天气条件下，环氧树脂优于其他封装材料。
环氧树脂如此好的工作表现，得益于它的“自修复（self-healing）”特性。例如，在其结构被冰雹损坏之后，聚合物在受到阳光加热时部分地改变其初始形状。这样就限制了从电池内部泄露出的铅的量。这种自修复特性使得环氧树脂成为未来光伏产品封装层的重要选择。
未来
齐教授解释道：“尽管其他自修复聚合物有可能更好，但是环氧树脂无疑是一个强有力的候选方案。目前，我们乐于提升光伏行业的标准，并讨论这项技术的安全性。下一步，我们将在这些数据的基础上，确定哪种聚合物才是最好的。”
除了铅泄露以外，另外一项挑战就是将钙钛矿太阳能电池升级成钙钛矿太阳能电池板。电池的长度只有几个厘米，而电池板却能跨越几米，并且对于潜在的消费者来说更有价值。团队也将关注可再生能源存储的这项长期挑战。
参考资料
【1】Yan Jiang, Longbin Qiu, Emilio J. Juarez-Perez, Luis K. Ono, Zhanhao Hu, Zonghao Liu, Zhifang Wu, Lingqiang Meng, Qijing Wang, Yabing Qi. Reduction of lead leakage from damaged lead halide perovskite solar modules using self-healing polymer-based encapsulation . Nature Energy, 2019DOI: 10.1038/s41560-019-0406-2
【2】https://www.oist.jp/news-center/press-releases/%E2%80%9Cself-healing%E2%80%9D-polymer-brings-perovskite-solar-tech-closer-market
钙钛矿太阳能电池由上到下分别为玻璃、FTO、电子传输层（ETM）、钙钛矿光敏层、空穴传输层（HTM）和金属电极。其中，电子传输层一般为致密的纳米颗粒，以阻止钙钛矿层的载流子与FTO中的载流子复合。通过调控的形貌、元素掺杂或使用其它的n型半导体材料如ZnO等手段来改善该层的导电能力，以提高电池的性能。目前报道的最高效率（~19.3%）的电池使用的即是钇掺杂的，钙钛矿光敏层，多数情况下就是一层有机金属卤化物半导体薄膜。也有人使用的是有机金属卤化物填充的介孔结构，或者两者都存在，但没有证据表明这种结构有助于电池性能的提高。空穴传输层，在染料敏化太阳能电池中，该层多为液态电解质。由于在液态电解质中不稳定，使得电池稳定性差，这也是早期的钙钛矿电池的主要问题。后来，Grätzel 等采用了如spiro-OMeTAD, PEDOT:PSS等固态空穴传输材料，电池效率得到了极大提高，并具有良好的稳定性。特别地，钙钛矿还可以同时作为吸光和电子传输材料或者同时作为吸光和空穴传输材料。这样，就可以制造不含HTM或ETM的钙钛矿太阳能电池。在接受太阳光照射时，钙钛矿层首先吸收光子产生电子-空穴对。
由于钙钛矿材激子束缚能的差异，这些载流子或者成为自由载流子，或者形成激子。而且，因为这些钙钛矿材料往往具有较低的载流子复合几率和较高的载流子迁移率，所以载流子的扩散距离和寿命较长。例如，的载流子扩散长度至少为100nm，而的扩散长度甚至大于。这就是钙钛矿太阳能电池优异性能的来源。然后，这些未复合的电子和空穴分别别电子传输层和空穴传输层收集，即电子从钙钛矿层传输到等电子传输层，最后被FTO收集；空穴从钙钛矿层传输到空穴传输层，最后被金属电极收集，如图2所示。当然，这些过程中总不免伴随着一些使载流子的损失，如电子传输层的电子与钙钛矿层空穴的可逆复合、电子传输层的电子与空穴传输层的空穴的复合（钙钛矿层不致密的情况）、钙钛矿层的电子与空穴传输层的空穴的复合。要提高电池的整体性能，这些载流子的损失应该降到最低。最后，通过连接FTO和金属电极的电路而产生光电流。
离子对
环境都有污染，生产过程也会产生污染，但成品的太阳能
光伏电池
是有封装的，并不暴露在
大气环境
中，所以光伏电池不会对大气、水和土壤造成污染，但可能造成电池安装附近的
光污染
。
