钙钛矿电池转化效率刷新世界纪录 光伏发电业迎最强风口

新的测试协议为需要辐射硬度和耐用性的应用铺平了道路

俄克拉荷马大学的研究人员与国家可再生能源实验室、北德克萨斯大学、美国宇航局格伦研究中心和太空电力界的几位合作者最近在焦耳杂志上发表了一篇论文，描述了测试的最佳条件用于太空的钙钛矿太阳能电池。

俄克拉荷马大学的物理学家、该论文的合著者伊恩·塞勒斯 (Ian Sellers) 表示，钙钛矿太阳能电池由于其迅速提高的性能和对辐射的高度耐受性，在光伏界引起了轰动，这表明它们可以用来提供为空间卫星和航天器供电。

“钙钛矿令光伏界的许多人兴奋不已，因为这种新的太阳能电池材料可以达到高效率，而且效率高且相对简单，”Sellers 说。 “但这些材料在稳定性和产量方面也存在重大问题，特别是在大气条件下 - 水分、氧气会使这种材料降解，因此有趣的是，有少数人认为尽管存在这些地面不稳定性问题，但该系统出现了辐射坚硬且适合太空。”

美国国家可再生能源实验室化学材料和纳米科学团队的高级科学家约瑟夫·路德说：“研究人员使用‘硬辐射’这个词来描述物体或设备在太空环境中发生的程度。” . “这很有趣，尤其是钙钛矿材料，因为众所周知半导体是柔软的，但辐射硬度只是意味着它们可以容忍辐射引起的缺陷而不会迅速降低性能。”

来自 OU、NREL 和北德克萨斯大学的团队着手解决的问题是太阳能电池的标准空间测试如何适用于钙钛矿。

“我们发现钙钛矿很难受到辐射，但并非出于许多人认为的原因，”塞勒斯说。 “我们发现整个社区都没有对它们进行适当的测试。钙钛矿是薄膜，而且非常柔软，所以如果你使用为传统太阳能电池开发的空间协议，高能粒子的相互作用可以忽略不计，这意味着钙钛矿看起来很难辐射，因为在我们看来，它们不是，正确测试。”

为了开发一种测试钙钛矿的新方法，Seller 实验室的前博士后研究员 Brandon Durant（现在在美国海军研究实验室工作）与位于德克萨斯州丹顿市的 UNT 物理系的 Bibhudutta Rout 合作测量太阳能细胞在不同条件或辐射暴露下的辐射硬度。

“我们开始进行这些非常有针对性的辐射依赖性测试，方法是在太阳能电池的不同部分可控地阻止这些粒子，”Sellers 说。 “因此，我们没有使用高能粒子，而是使用低能粒子，特别是质子，因为它们对钙钛矿更有害，并且在太空中非常普遍，以低能轰击太空中的太阳能电池和其他材料。当我们这样做时，我们证实钙钛矿确实具有很强的辐射性，因为它们很软而且密度不是很大，所以当它们受到损坏时，它们会很快愈合。”

卖家将这种效果比作一桶水。水一开始是静止的。你可以溅水制造混乱，但一旦溅水停止，它就会恢复平静。

“这些钙钛矿非常接近于液体，因此当它们受损时，它们会自我修复，”他说。 “钙钛矿就像一桶水，在太空中会发生紊乱和损坏，但也会很快沉淀或愈合并恢复正常。我们所做的是创建一个协议，一组钙钛矿电池在进入太空之前必须经过测试的条件，以便全球社区以同样的方式正确地测试这些材料。”

这项研究的应用开辟了一系列可能性。研究兴趣的一个领域包括研究钙钛矿在月球上的永久性装置中的用途，特别是轻质柔性钙钛矿是否可以折叠并成功部署到太空中，甚至可以在月球上制造。

同样，未来的研究可以 探索 钙钛矿太阳能电池在对具有强烈辐射环境的行星（如木星）的太空任务或在具有高辐射水平的极地轨道上的卫星任务中的效用。

“新材料的太空资格是由任务要求驱动的，”美国宇航局格伦研究工程师和合著者林赛麦克米伦布朗说。 “这项工作非常重要，因为我们正在 探索 钙钛矿对与 NASA 最感兴趣的应用最相关的辐射的反应。”

如今，几乎所有的太阳能电池都是由高纯度硅制成的。这是一项成熟的技术，近年来由于规模经济，制造成本大幅下降。然而，硅的效率有一个上限。一个由Ted Sargent教授领导的团队正在研究互补材料，这种材料可以通过吸收硅所不吸收的波长来增强硅的太阳能收集潜力。

Sargent教授说：“我们实验室所追求的两项技术是钙钛矿晶体和量子点。”这两种方法都适用于溶液处理。想象一下，一种“太阳能墨水”可以印刷到柔性塑料上，制造出低成本、可弯曲的太阳能电池。我们还可以在硅太阳能电池的前后阶段组合它们，以进一步提高它们的效率。”

钙钛矿和量子点面临的主要挑战之一是稳定性。在室温下，某些类型的钙钛矿经历了3D晶体结构的调整，使它们变得透明——它们不再完全吸收太阳辐射。

对于量子点来说，必须覆盖一层被称为钝化层的薄层。这个层——只有一个分子厚——可以防止量子点互相粘在一起。但是超过100摄氏度的温度会破坏钝化层，导致量子点聚集或聚集在一起，破坏它们采光的能力。

发表在《自然》杂志上的一篇论文中，Sargent实验室的一组研究人员报告了一种结合钙钛矿和量子点的方法，这种方法可以稳定两者。

该论文的主要作者刘梦霞说：“在我们这样做之前，人们通常试图分别应对这两个挑战。”

“研究已经证明混合结构的成功发展，这种混合结构结合了钙钛矿和量子点，这启发我们考虑到，如果两种材料共享相同的晶体结构，它们可能会彼此稳定。”刘说，她现在是剑桥大学的博士后研究员。

刘和他的团队建造了两种混合材料。一种主要是量子点，其体积约为15%的钙钛矿，用于将光转化为电能。另一种主要是以体积计量子点小于15%的钙钛矿，更适合将电转化为光，例如，作为发光二极管（LED）的一部分。

研究小组能够证明，富含钙钛矿的材料在环境条件（25摄氏度和30%湿度）下保持稳定6个月，比仅由同一钙钛矿组成的材料寿命长约10倍。对于量子点材料，当加热到100℃时，纳米颗粒的聚集度比未经钙钛矿稳定的纳米颗粒低5倍。

“这很好地证明了我们的假设，”刘说。这是一个超出我们预期的令人印象深刻的结果。

新的研究结果证明了这类混合材料可以提高材料的稳定性。在未来，刘希望太阳能电池制造商能够采取她的想法，并进一步改进，以创造新的太阳能电池技术，满足所有与传统硅相同的标准。

“工业研究人员可以用不同的化学元素来形成钙钛矿或量子点，”刘说。我们所展示的是，这是一个有前途的策略，可以改善这类结构的稳定性。”

“作为太阳能材料，钙钛矿已经显示出巨大的潜力；但需要基本的解决方案，将其转化为稳定和坚固的材料，以满足可再生能源行业的苛刻要求，”杰弗里C.格罗斯曼说，他是莫顿和克莱尔·古尔德，环境系统的家庭教授，同时也是麻省理工学院材料科学与工程系德学院的一名教授。麻省理工学院此次并未参与研究。多伦多的研究显示了一个令人兴奋的新途径，以促进对稳定钙钛矿晶体相的理解和成就。”

刘将这一发现部分归功于团队中的协作环境，其中包括来自许多学科的研究人员，包括化学、物理和她自己的材料科学领域。

她说：“钙钛矿和量子点具有独特的物理结构，这些材料之间的相似性通常被忽视。这一发现表明，当我们结合来自不同领域的想法时，可能会发生什么意想不到的火花。”

这种双层串联结构的太阳能电池，上层喷涂了1微米厚的钙钛矿，有助于高效捕捉太阳能，底层是厚约2微米的铜铟镓硒薄膜（CIGS）电池。薄膜电池表面经过纳米级的加工，再加上聚合有机物空穴传输层。这种设计可以让电池产生更高的电压，从而增加输出功率。整个组件安装在厚约2毫米的玻璃基板上。

新型电池的光电转换效率高达22．4%，比2015年美国国际商用机器公司（IBM）研发的同类太阳能电池10．9%的光电转换效率提高了一倍多。这一新纪录已得到美国能源部下属可再生能源实验室确认。

研究负责人、加利福尼亚大学洛杉矶分校教授杨阳说，双层串联的设计，使电池可以通过上下两个层面捕捉太阳光谱不同波段光的能量，与传统的CIGS太阳能电池的单层设计相比，能吸收转换更多的太阳能。

杨阳表示，这项技术使CIGS太阳能电池的性能提高了近20%，也意味着能源成本降低了20%。研究团队的下一个目标是将电池的光电转换效率提高至30%。

钙钛矿材料是指一类陶瓷氧化物，因类似结构最早在天然钙钛矿中被发现而得名。钙钛矿太阳能电池被认为是光伏产业的未来热点，其喷涂技术成本低廉，易于操作，容易应用到现有的太阳能电池制造工艺中。钙钛矿的应用可大大提高发电效率，与汽车发动机上安装涡轮增压器的效果类似。