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世界最高效大面积钙钛矿太阳能电池是什么?|2015中国科技新星评选

发布日期:2023-10-29 06:13浏览次数:
本文摘要:2015年是中国学术圈群星璀璨、捷报频传的一年:既有屠呦呦荣获本土第一个诺贝尔科学奖的精彩,又有王贻芳大亚湾中微子波动摘基础物理突破大奖的伤心;既有施一公解析剪接体三维结构所带给的期待,也有古代脊椎动物与古人类研究所湖南道县找到47枚8至12万年人类牙齿化石所给与的启迪。

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2015年是中国学术圈群星璀璨、捷报频传的一年:既有屠呦呦荣获本土第一个诺贝尔科学奖的精彩,又有王贻芳大亚湾中微子波动摘基础物理突破大奖的伤心;既有施一公解析剪接体三维结构所带给的期待,也有古代脊椎动物与古人类研究所湖南道县找到47枚8至12万年人类牙齿化石所给与的启迪。更让人鼓舞的是,在2015年,中国学术圈也辈出一大批卓越的青年科学家,像一颗颗引人注目的新星,冉冉升起,作出令人耀眼的成绩:既有大面积钙钛矿太阳能电池的世界纪录,也有硫化氢高温超导体的精确预测,既有人类胚胎基因编辑的首次顺利,也有外尔费米子的开创性找到,高水平的科研成果呈圆形井喷之状。为增进青年学者的交流、合作、创意与变革,并推展科学技术的宣传、普及、传播与转化成,我们在征询各领域专家学者意见的基础上,从2015年作出突出成绩、有低表明度科研成果的青年才俊中,遴选出30位具备代表性的科技新星,作为“2015年中国十大新锐科技人物”候选人,并相继讲解他们的卓越成就。

首先,让我们来领略陈炜教授的科技成果——国际最低效率大面积钙钛矿太阳能电池。华中科技大学武汉光电国家实验室陈炜副教授在采访日本国立物质与材料研究院(NIMS)期间,在钙钛矿薄膜太阳能电池研究领域获得最重要进展。基于P-i-N反式平面结构、通过优化界面工程,全面解决了钙钛矿太阳能电池高效率、延缓现象、器件稳定性、大面积器件均匀分布性和一致性等最重要问题,首次在国际权威太阳能电池认证机构——“日本产业技术综合研究所(AIST) ”证书顺利大面积 (1 cm2)钙钛矿太阳能电池国际最低效率(15%),首次将大面积钙钛矿太阳能电池写出入权威太阳能效率记录表《Solar cell efficiencytables (Version 46)》。

这一近期成果的涉及论文月底2015年11月在 Science 上线公开发表,论文通讯作者为NIMS韩礼元教授和瑞士联邦理工学院Michael Gratzel教授。太阳能取之不尽、用之不绝,规模化利用洗手、可再生的太阳能对于优化能源消费结构、增加环境污染和全球温室效应的意义十分根本性。现在早已市场化的光伏技术还包括第一代晶体硅太阳能电池、第二代CIGS、CdTe薄膜太阳能电池,尽管每年以30%的速度高速成长,但其总装机发电量仍严重不足全球总能耗的1%。

找寻新一代更加廉价、更加高效的光伏技术是太阳能利用的一个永恒命题,关系到未来太阳能在多大程度上代替化石能源。钙钛矿太阳能电池是最近3年才经常出现的光伏技术,其效率记录提高的速度十分快速增长。

目前韩国KRICT报导的钙钛矿太阳能电池效率超过20.1%,相比之下多达其他类型的新概念太阳能电池,完全与发展数十年的CIGS等薄膜太阳能电池非常,而且将来仍不会有相当大的提高空间。闻美国可再生能源实验室(NREL)编撰的近期效率记录表(图1)。图1. 历年来各类型太阳能电池效率记录(NREL编撰)此外,卤化物钙钛矿材料AMX3(A = CH3NH3+,NH2-CH=NH2+,Cs+等; M = Pb2+,Sn2+,Ge2+,Co2+,Fe2+,Mn2+,Cu2+,Ni2+,Bi3+等; X = Cl‒,Br‒, I‒等)具备原料非常丰富、成本便宜、光电性质良好、可溶液加工、可低温制取(150℃)等特点和优势,使得钙钛矿太阳能电池的生产成本未来将会超过目前晶体硅太阳能电池的1/3-1/5。明显的效率和成本优势未来将会推展钙钛矿太阳能电池在未来穿过商业化门槛,共享乃至政治宣传未来的光伏市场。

但是,尽管前景悲观,仍有几朵乌云弥漫在钙钛矿太阳能电池确实南北商业化的路途上。正如美国可再生能源实验室光伏认证中心负责人Keith Emery博士和澳大利亚新南威尔士大学Martin Green教授今年年初公开发表公开发表评论所说:(1)钙钛矿太阳能电池普遍存在稳定性问题,很多电池在测试的过程中就再次发生了裂变,因此很多文献报导的钙钛矿电池高效率都无法通过第三方证书,其真实性都有一点猜测;(2)钙钛矿太阳能电池普遍存在延缓现象,即IV测试正反洗测出的结果不存在显著的不完全一致。很多论文仅有报导其中一种扫瞄方式获得的有可能是低估的实验结果。

Keith Emery和Martin Green领导着国际上最权威的太阳能电池认证中心,他们对钙钛矿太阳能电池的负面意见指出原本的钙钛矿电池技术有可能不存在相当严重缺失,这也有可能是为什么迄今为止,除了Newport公司证书的小面积(0.1cm2)钙钛矿太阳能电池获得了证书数据外,其他国际权威认证中心在钙钛矿电池方向集体落泪的原因。据理解,日本AIST(5家国际权威认证中心之一)检测过多家研究单位检验的钙钛矿太阳能电池,检验获得的器件性能与基于实验室扣除数据的预期值差距较小。这也是为什么在我们于AIST证书顺利大面积(1cm2)钙钛矿电池15%效率之前,权威的《Solar Cell Efficiency Tables》中钙钛矿太阳能电池正处于遗缺状态的原因。

我们通过测试数万条IV曲线,在较为了几种最少见的钙钛矿太阳能电池结构以后,找到P-i-N反式平面结构电池更容易避免延缓效应。电池结构如图2右图。

我们通过实行顺利的界面工程,以平稳、低导电、能带调控的轻掺入型无机界面材料在电极附近分别提取电子和空穴,并在大面积范围内掌控避免界面缺失。这样做到的结果是:(1)该电池展现出出有迄今为止各类钙钛矿太阳能电池中最佳的填满因子约0.83,开路电压相似1.1V,小面积(0.09 cm2)电池的效率提高到18.3%,大面积(1.02 cm2)电池的效率超过16.2%;(2)无论是小电池还是大电池,其IV测试的延缓效应都十分小,并且多出厂数十个电池都展现出出有很好的工艺可再现性和器件性能的高度一致性(图3);(3)器件展现出出有迄今为止各类型钙钛矿太阳能电池有报导以来最差的稳定性,1000小时持续光照老化前后的性能波动10%。

PCBM的亲水性性质和无机界面层的化学稳定性对钙钛矿层起着了维护起到。我们这种反式结构设计回避了其他由不平稳界面材料带给的阻碍,将钙钛矿太阳能电池性能裂变的原因都集中于到钙钛矿材料本身,可以在仅次于程度上现实体现钙钛矿太阳能电池的稳定性究竟如何。车祸的是,可行性加快老化的测试结果完全是令人满意的,多块电池样品老化前后的效率波动皆将近10%(图4)。

图2. 基于轻掺入无机界面层的反式P-i-N平面结构钙钛矿太阳能电池结构示意图图3. (a)各不相同扫瞄条件的电池延缓效应和(b)统计资料40块有所不同出厂(小面积)电池性能的皆一性和正反洗差异图4. 一出厂10块大面积(1.02 cm2)电池1000小时倒数光照老化测试结果(测试透射:100mW/cm2,环境温度:25℃,短路情况倒数电流输入)(a)归一化效率波动10%,(b)效率绝对值波动统计图如图3-4所叙述,通过非常简单转变扫瞄条件才可避免延缓效应、以及较好的稳定性是确保我们的大面积电池在日本AIST这种坚决最严苛测试标准的认证机构获得证书顺利的最重要原因(图5)。我们的结果被堪称“太阳能电池之父”的Martin Green教授拒绝接受,并首次载入由他牵头NREL、AIST等权威部门编撰的《Solar cell efficiency tables, (version 46)》,闻图6的“Table I”;这与之前韩国KRICT在Newport证书的小面积电池结果有所不同,他们的结果在Table III,被归类为“Notable exceptions”和“not class records”,主要原因在于面积过小更容易引发较小测量误差。关于严苛测试的重要性在最近倒数几篇Nature子刊的评论文章中可以读书到。

我们大面积钙钛矿电池证书顺利,使得钙钛矿太阳能电池的性能指标首次需要与其他类型太阳能电池在同一个标准下展开较为。并且,通过1cm2的器件可以估算更大面积电池模组的理论仅次于性能,因为更大面积的模组一般来说是由宽度为1cm2左右的长条状电池串并联构成,两者来自导电玻璃的电阻损耗非常。

此外,基于我们的测试结果,AIST将与全球其他权威认证机构探究创建新型钙钛矿太阳能电池的检测标准,坚信以后不会有更加多钙钛矿太阳能电池的证书结果出自于NREL、AIST等权威机构。图5. 日本AIST证书结果,电池面积1.017cm2图6. 证书结果为《Solar cell efficiency tables,(version 46)》收录于最后,我们指出,通过更进一步改良钙钛矿薄膜质量和组分(例如以NH2-CH=NH2+离子代替CH3NH3+离子),大面积钙钛矿太阳能电池的效率记录可以迅速前进到20%的水平。而关于稳定性则必须做到更好更加了解的研究工作,目前的器件仍不存在一定程度的波动(尽管波动较小),除了所用于钙钛矿材料CH3NH3PbI3自身有可能的分解成外,有可能与PCB强度也有关。

通过成分调控将CH3NH3PbI3钙钛矿材料的结晶温度(反之也是晶体发育温度)从目前的70-80℃提高到100-120℃以上,并使用更加可信的PCB方式防止湿气的较慢渗入,将有可能获得寿命充足宽的电池器件。陈炜副教授早已取得风险投资意向,开始钙钛矿太阳能电池的中试研发,企业的插手将减缓推展具备实用价值的新型光伏器件的问世。写出在后面:陈炜教授的研究成果令人振奋,其他位科技新星的故事也某种程度精彩,敬请期待!同时,我们将面向大众,对外开放公众投票,即日起至2016年1月6日完结,每人请求投票10人左右,得票率名列前十的候选人被选为2015年中国十大新锐科技人物。

整个流程公开发表半透明,杜绝黑箱操作。我们也将举行先前活动,协助获奖者及候选人接入产业与资本。参予投票的朋友也将有机会提取可观的礼品。

转入知社学术圈展开投票:2015,那些引人注目中国的科技新星。原创文章,予以许可禁令刊登。

下文闻刊登须知。


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