科技生活| 多大华裔生设计出太阳能电池效率创纪录

来自多伦多大学的一个由几名华裔学生组成的研究小组，通过克服昔日设计的一个关键限制，创造了一种效率创纪录的“三结钙钛矿”(triple-junction perovskite)太阳能电池。

该原型代表了在开发硅基(silicon-based)太阳能电池的低成本替代品方面的一个重大进展，而硅基太阳能电池是目前的行业标准。

多大应用科学与工程学院的实验室 的Ted Sargent教授说：“除了较低的制造成本，钙钛矿为我们提供了在彼此之上甚至在传统硅电池之上堆叠多层吸光材料的能力。”

今天的太阳能电池是由单一的超纯硅片制成的，其生产过程是能源密集型的。相比之下，钙钛矿太阳能电池是使用钙钛矿多晶体薄膜制成的，这些薄膜用类似于印刷业中使用的低成本溶液处理技术涂在表面。通过改变这些薄膜中钙钛矿晶体的成分，每一层都可以被“调整”为吸收不同波长的光，从而有效利用整个太阳光谱。这在硅上是不可能的，因为它总是吸收相同的波长。

Ted Sargent的研究小组是那些开发新方法来释放钙钛矿太阳能电池潜力的人之一。他们以前的工作包括两层串联电池，但他们发表在《自然》杂志上的最新研究侧重于三层设计。

“多层电池的设计通常是这样的：带有宽带隙钙钛矿的顶层吸收能量最高的光子，也就是短波长的高频光，朝向光谱的紫色一端，”博士后研究员Zaiwei Wang说，他是这篇新论文的四个共同第一作者之一。“下一层将吸收中等波长，底部将吸收较长的波长。但正是在顶层，我们得到了光诱导相分离的挑战。”

该团队使用了一种被称为ABX3的钙钛矿材料，它由不同的物质混合而成—包括铯、铅、锡、碘、溴和一些小型有机分子。尤其是顶层，由混合卤化物钙钛矿组成，其中溴和碘的比例很高。“在这些混合钙钛矿的光诱导相分离中发生的情况是，高频光子的轰击导致富含溴的相与富含碘的相分离，”博士后研究员和该研究的共同第一作者Hao Chen陈浩说。“这导致了缺陷的增加和整体性能的下降”。

为了克服这个问题，研究小组使用详细的电脑模型来模拟改变晶体成分的效果。这项工作提出了两个变化：去除有机分子，形成全有机的钙钛矿结构，并引入铷元素。另一位博士后研究员和共同第一作者Tong Zhu说：“引入铷元素可以抑制光诱导的相分离问题。我们的铷/铯混合无机钙钛矿显示出比其他钙钛矿材料更好的光稳定性，包括铯基无机钙钛矿和广泛使用的具有类似带隙的有机-无机混合钙钛矿。”

利用这些知识，该团队随后设计并建造了一个具有这种成分的三结电池。他们测量其效率为24.3%，开路电压为3.21伏。他们还将其送到国家可再生能源实验室进行独立认证，该实验室测得的准稳态效率为23.3%。

“在过去，三结钙钛矿太阳能电池显示的最大效率约为20%，所以这是一个很大的进步。据我们所知，这也是首次报道的三结钙钛矿太阳能电池的认证效率，”另一位共同领导作者、博士生Lewei Zeng说。

“以前的设计也倾向于在几个小时内失去大量的性能。相比之下，我们的设计即使在运行420小时后仍能保持80%的初始效率—所以这在耐用性方面也是一大进步。”

该团队表示，尽管在钙钛矿太阳能电池能够在商业应用中与硅竞争之前，还需要进一步提高性能，但最新的研究表明了一条前进的道路。

图片：多伦多大学

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