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    鈣鈦礦型太陽能電池成為太陽能電池主流之一

    時間:2015-12-11

     

    轉載自:新材料在線網

     僅僅在發現六年之后,由于有機物——鉛——鹵化物型鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率達到了20%,因此成為光伏技術的主力軍之一。這種鈣鈦礦前驅體的原料非常豐富且便宜,也很容易轉換成薄膜。因此從原理上來講,鈣鈦礦型光伏電池的產生電能的成本很低。然而,只有小型裝置可以達到較高的轉換效率。在相關報道中一平方厘米的鈣鈦礦太陽能電池的轉換效率只有15%。目前已經證實的鈣鈦礦太陽能電池的最高效率是在0.1平方米的面積尺度上實現的。為了能夠和其他光伏技術相比較,其照射面積至少需要達到1平方厘米。目前也有很多關于制造大尺寸裝置的研究,同時也取得了一些進步。

    最近有報道指出可以在1平方厘米的尺度上獲得15%的光電轉換效率,但是這還未經證實。目前Chen等人關于在鈣鈦礦電池中摻雜無機電荷的方法可以獲得15%的轉換效率,且已經被其他研究所證實,這也是目前被證實的效率最高的薄膜太陽能電池之一。鈣鈦礦太陽能電池是一種多層裝置,建立在透明電極之上,且在上面有反光金屬電極。這種效率最高的鈣鈦礦太陽能電池是n-i-p型,具有一個N型的二氧化鈦底層,鈣鈦礦吸收層和一個P型有機半導體頂層。Chen等人的研究采用了一種倒置結構,將PNiO薄層作為底層,而將由富勒烯衍生物和二氧化鈦組成的薄膜作為頂層。該研究表明該太陽能電池的效率是由金屬氧化物層的導電性決定的,而這可以通過摻雜提高,即在氧化鎳金屬中摻入鋰離子和鎂離子。

    頂層的N型二氧化鈦層可通過以下方法準備:在鈣鈦礦層之上沉積一種前驅體,然后將材料溫度加熱到70℃,放置對下層造成損害。但是在這種低溫條件下會形成低傳導性的多孔二氧化鈦。在該層中摻雜Nb5+可將其導電性增加一個數量級。因此,盡量使用薄層金屬氧化物層,可以限制電阻損耗。而獲得這種1平方厘米的無缺陷薄金屬氧化物膜是一項非常大的成就。而電荷提取層的電導率的進一步提高使得允許使用更厚層成為可能,也使得大規模產品制造更加容易。

    鈣鈦礦太陽能電池,尤其是金屬氧化物基太陽能電池,往往會遇到伏安特性曲線掃描方向的選擇問題。I-V曲線中出現遲滯現象使得計算裝置的實際效率變得困難。而Chen等人研究中的電池在低速掃描下并沒有表現出遲滯現象,從而可以更加精確的確定其效率。該研究在小面積電池上獲得了18.3%的效率,而在1平方厘米的電池中效率為16.2%,而在日本國立先進工業科學和技術研究所獲得的效率是15%。小尺寸和大尺寸裝置效率不同主要是由于不同的填充系數引起的。該實驗中使用的電極更加透明,當裝置面積增加的時候,電池的填充系數會略微減小。

    除了效率,電池的穩定性也是一個非常重要的因素。有機物——鉛——鹵化物型鈣鈦礦太陽能電池在室溫條件下并不穩定,但是當鈣鈦礦層處在兩層金屬氧化物薄膜之間時,其穩定性有所提高。Chen等人的研究中使用的鈣鈦礦層也采用金屬氧化物層進行保護。鈣鈦礦和頂部的金屬氧化物之間的疏水性富勒烯衍生物可以進一步阻礙水擴散到鈣鈦礦層。該實驗中,在經過了1000小時的穩定性測試以后,其效率在黑暗條件下只降低了5%,而在光照條件下降低了10%。

    Chen等人的研究結果是實質性的提高,但是在鈣鈦礦太陽能電池商業化之前還需要更多的研究。因此還需要提高制備大面積裝置的技術和進一步增加穩定性。

    太陽能薄膜電池的效率

     

     

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