光伏電池可以從太陽中產(chǎn)生能量，在解決當(dāng)前的環(huán)境危機方面非常有用。鈣鈦礦光伏電池是由金屬鹵化物鈣鈦礦半導(dǎo)體制成的電池，最近被證明前景無量，因為研究人員已經(jīng)設(shè)法大幅提高了它們的能量轉(zhuǎn)換效率，從3.8%一路提高到25.2%。
這一顯著提高的效率使鈣鈦礦在開發(fā)下一代可低溫處理的光伏技術(shù)方面成為領(lǐng)先的競爭者。鈣鈦礦光伏電池可以有兩種主要的設(shè)計原型:所謂的規(guī)則(n-i-p)結(jié)構(gòu)和倒置(p-i-n)結(jié)構(gòu)。到目前為止，結(jié)構(gòu)規(guī)則的電池實現(xiàn)了最高的功率轉(zhuǎn)換效率，而結(jié)構(gòu)倒置的電池則實現(xiàn)了更長的運行時間。
阿卜杜拉國王科技大學(xué)(KAUST)和多倫多大學(xué)的研究人員最近能夠減少之前觀察到的鈣鈦礦光伏電池(規(guī)則結(jié)構(gòu)和倒置結(jié)構(gòu))之間的效率差距。他們的論文發(fā)表在《自然能源》雜志上，介紹了一種新的設(shè)計策略，允許他們制造運行壽命長、功率轉(zhuǎn)換效率為22.3%的倒置太陽能電池。
參與這項研究的研究人員XiaopengZheng告訴TechXplore:“效率最高的鈣鈦礦光伏設(shè)備是基于常規(guī)結(jié)構(gòu)，它們必須在空穴運輸材料中加入離子摻雜劑。”“通過去除這些不穩(wěn)定的摻雜物，倒置結(jié)構(gòu)的光伏設(shè)備有助于提高該技術(shù)的運行穩(wěn)定性。不幸的是，倒置結(jié)構(gòu)鈣鈦礦光伏的能量轉(zhuǎn)換效率明顯落后于常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)備(20.9%比25.2%)。”
XiaopengZheng表示，要想讓鈣鈦礦光伏技術(shù)產(chǎn)生真正的商業(yè)性和環(huán)境影響，研究人員首先需要確保它們在運行穩(wěn)定性和功率轉(zhuǎn)換效率方面都處于領(lǐng)先地位。他與KAUST和多倫多大學(xué)的同事合作開發(fā)的設(shè)計策略，可以通過改善通常用于制造光伏設(shè)備的鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)和光電性能來幫助實現(xiàn)這一目標(biāo)。
XiaopengZheng和他的同事們在鈣鈦礦材料中加入了微量的鏈長不同的表面烷基胺配體(AALs)。這使得他們能夠改變材料的一些特性，從而獲得比通常觀察到的倒置結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦光伏太陽能電池更高的能量轉(zhuǎn)換效率。
“我們發(fā)現(xiàn)，在加工過程中，只需微量的烷基胺就足以改變鈣鈦礦材料的性能，其有利的方式如下:(1)促進晶粒取向;(ii)抑制陷阱態(tài)密度;(iii)減少載流子的非輻射復(fù)合(即損耗)，提高載流子的移動能力和擴散長度;(iv)抑制鈣鈦礦中的離子遷移。”參與這項研究的另一位研究人員YiHou告訴TechXplore。
Zheng、Hou和他們的同事利用AAL表面改性鈣鈦礦薄膜表現(xiàn)出a(100)取向，與未改性的薄膜相比，其捕集態(tài)密度顯著降低。它們還提供了增強的載流子移動能力和擴散長度，從而使設(shè)備的穩(wěn)定功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到22.3%。
“鈣鈦礦PV是一項年輕的技術(shù)，它們?nèi)匀挥懈倪M其穩(wěn)定性的空間，以接近其它成熟的PV技術(shù)，如c-Si和無機基薄膜，”另一位參與研究的研究員TedSargent告訴TechXplore。“我們使用微量烷基胺作為晶粒和界面修飾劑，大大減少了倒置裝置和常規(guī)裝置之間的效率差距。”
研究人員發(fā)現(xiàn)，用他們的方法制造的鈣鈦礦太陽能電池在模擬的AM1.5照明下，最大功率點可運行超過1000小時，而不會降低效率。在未來，他們引入的設(shè)計策略可以使鈣鈦礦材料更接近于滿足太陽能電池商業(yè)化所需的苛刻條件。
“在我們研究的下一階段，我們將尋找生產(chǎn)鈣鈦礦PV的方法，在不犧牲高性能和可靠性的前提下打造大面積設(shè)備。”參與研究的另一名研究人員OsmanBakr告訴TechXplore。
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