NREL团队致力于钙钛矿稳定性

新的生长方法可以显著抑制溴和碘的相分离

美国国家可再生能源实验室（NREL）的研究人员报告了一种制造钙钛矿太阳能电池的新方法。

他们在《科学》杂志上发表了这项发现“高稳定宽带隙钙钛矿太阳能电池的组成结构工程”。

基于溴和碘的丰富混合物开发高度稳定和高效的钙钛矿被认为是制造串联太阳能电池的关键。然而，当暴露于光和热时，这两个元件往往会分离，从而限制了太阳能电池的电压和稳定性。

“这种新的生长方法可以显著抑制相分离，”NREL的高级科学家、该项目的首席研究员、新论文的主要作者Kai Zhu说。他在NREL的共同作者是Qi Jiang、Jinhui Tong、Rebecca Scheidt、Amy Louks、Robert Tirawat、Axel Palmstrom、Matthew Hautzinger、Steven Harvey、Steve Johnston、Laura Schelhas、Bryon Larson、Emily Warren、Matthew Beard和Joseph Berry。其他参与的研究人员来自托莱多大学。

新方法解决了这一问题，并生产了一种效率大于20%的宽带隙太阳能电池，其光电压为1.33伏，在高温下连续工作1100小时，效率变化很小。采用这种新方法，全钙钛矿串联电池获得27.1%的效率，2.2伏的高光电压和良好的操作稳定性。

在串联电池中，窄带隙层沉积在宽带隙层的顶部。带隙的差异允许更多的太阳光谱被捕获并转换成电能。

钙钛矿是指由化学物质沉积在基底上形成的晶体结构。高浓度的溴会导致钙钛矿膜更快地结晶，并经常导致降低太阳能电池性能的缺陷。已经尝试了各种策略来缓解这些问题，但宽带隙钙钛矿太阳能电池的稳定性仍然被认为是不够的。

新开发的方法建立在Zhu和他的同事今年早些时候发表的工作基础上，该工作颠覆了典型的钙钛矿电池。使用这种倒置的建筑结构，研究人员可以提高效率和稳定性，并轻松集成串联太阳能电池。

NREL领导的小组使用了相同的结构，并进一步远离了制造钙钛矿的传统方法。传统的方法是在结晶化学物质上使用反溶剂，以形成均匀的钙钛矿膜。新的方法依赖于所谓的气体淬火，即将氮气流吹到化学物质上。该结果解决了溴和碘分离的问题，得到了具有改进的结构和光电性能的钙钛矿膜。

反溶剂方法允许晶体在钙钛矿膜内快速均匀地生长，相互挤压，导致晶界相交处的缺陷。当应用于高溴含量的钙钛矿化学物质时，气体淬火工艺迫使晶体一起生长，从上到下紧密堆积，因此它们变得像单个晶粒，并显著减少缺陷数量。自上而下的生长方法形成了一种梯度结构，靠近顶部的溴更多，而在大部分电池中的溴更少。气淬法在统计上也比反溶剂法更具重现性。

研究人员在1100小时内实现了宽带隙层超过20%的效率和运行稳定性，降解率低于5%。再加上底部电池，该器件的效率达到27.1%。

研究人员还尝试了氩气和空气作为干燥气体，结果相似，表明气体淬火方法是提高宽带隙钙钛矿太阳能电池性能的通用方法。

新的生长方法展示了高性能全钙钛矿串联器件的潜力，并推动了其他基于钙钛矿的串联结构的发展，如包含硅的串联结构。

美国能源部太阳能技术办公室资助了这项研究。