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装置和结构

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钙钛矿设备创下新纪录

迈克尔·萨利巴(Michael Saliba)
迈克尔·萨利巴(Michael Saliba)

钙钛矿制成的太阳能电池,其破纪录的功率转换效率(PCE)超过23%,如果它们不是热不稳定的,则是产生可持续太阳能的理想之选。替换这些电池中最不稳定的组件之一的新技术可能会改变这一点。这一壮举是迈向商业化的真正进步。

钙钛矿具有ABX结构,其中A为铯和甲基铵(MA)或甲ami(FA),B为铅或锡,X为氯,溴或碘。它们是当今最有前途的薄膜太阳能电池材料之一,因为它们具有可调节的带隙,因此可以吸收很宽的太阳光谱波长范围内的光。载流子(电子和空穴)也可以在很长的时间内快速扩散通过它们。所有这些优异的性能使这些材料的太阳能电池效率从最初的3.8%(2009年)猛增到现在的近23%。这使其性能可与诸如硅,GaAs和CdTe之类的成熟技术相媲美。

更换 甲基铵和溴

最有效的钙钛矿太阳能电池包含溴化物和MA,不幸的是它们是热不稳定的。为了克服这个问题,研究人员用FA代替了MA,因为它不仅比MA具有更高的热稳定性,而且具有最佳的红移带隙。不幸的是,由于尺寸大,FA确实会使钙钛矿晶格扭曲,并在室温下产生光惰性的“黄色”相。其他光敏性“黑相”只能在高温下看到。

研究者领导 迈克尔·萨利巴(Michael Saliba)阿道夫·默克尔学院 在弗里堡和 安德斯·哈格菲尔德洛桑联邦理工学院 现在已经找到一种在室温下稳定FA黑色相的方法。他们通过用碘代替溴,并用of和铯的混合物代替了MA来做到这一点。结果细胞,报告在 科学 10.1126 / science.aat3583,其PCE为20.35%,这是非MA钙钛矿太阳能电池迄今报告的最佳效率之一。

与平面架构兼容

“这种新材料不仅具有热稳定性,而且还与平面架构兼容,这意味着柔性太阳能电池是令人兴奋的可能性,” Saliba tells 物理世界.

他补充说,用无机FA代替有机MA只是一步。“先前稳定FA的光敏黑相的尝试是以蓝移带隙为代价的,该带隙会吸收较少的光,从而降低器件性能。我们成功地去除了Br,但仍然获得了具有较小带隙的相稳定钙钛矿,该带隙可以收集更多的光,从而产生更多的电。”

LED灯带>20% EQE

除了太阳能电池以外,钙钛矿还显示出可用于平板显示器和固态照明等其他光电器件(如发光二极管)的巨大前景。可以使用简单的溶液处理技术来制造这些设备,并且可以调整它们的颜色。

然而,问题在于,发出绿色和红色光的钙钛矿的最高报道的外部量子效率或EQE(即每个消耗的电子产生的光子数)分别约为14%和12%。这些值落后于有机LED和无机量子点LED的值。中国,新加坡和加拿大的一组研究人员现在也可以通过使用卤化钙钛矿制成的EQE超过20%的LED来解决此问题。

“成分分配管理”

研究人员使用一种被称为成分分布管理的新策略来实现这一目标。 “我们通过旋涂CsPbBr的特殊前体来制造高质量的钙钛矿薄膜。3使用MABr添加剂”,组长解释说 魏占华厦门华侨大学. “在旋涂过程中,由于这两种化合物在前体溶剂中的溶解度非常不同,因此它们在不同的时间结晶,最终形成一种新型复合材料CsPbBr的准核/壳结构3/ MABr。”

MABr壳不仅钝化了CsPbBr中可能存在的非辐射缺陷他说,这种晶体可以提高光致发光的量子效率,但同时也可以平衡向材料中注入的载流子(电子和空穴)。这种平衡的电荷注入在LED中非常重要,因为当电子遇到这些器件中的空穴时,它们可以在辐射复合过程中以光子的形式释放能量。

Wei和同事报告了他们在 性质 10.1038 / s41586-018-0575-3, 说他们现在正在忙于改善设备的使用寿命,目前只有100个小时左右。“对于实际应用而言,这显然还不够长,因此我们需要将其扩展到超过10,000小时,甚至100,000小时,” he tells 物理世界.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者