工程师们展示了下一代太阳能电池可以吸收热量保持效率

钙钛矿具有晶体结构和良好的光电性能,可能成为制造下一代低成本、高效、轻量和灵活的太阳能电池的活性成分。

问题与当前一代的硅太阳能电池是他们相对较低的效率在将太阳能转化电能,Vikram Dalal说一个爱荷华州立大学安森马斯顿工程特聘教授,在电气和计算机工程教授托马斯·m·惠特尼和爱荷华州立微电子研究中心的主任。

实验室中最好的硅太阳能电池的效率约为26%,而商用电池的效率约为15%。这意味着需要更大的系统来生产一定数量的电力,而更大的系统意味着更高的成本。

这促使研究人员寻找提高效率和降低成本的新方法。有一种想法可以将效率提高50%,那就是采用串联结构,将两种电池堆叠在一起,每一种电池利用不同的、互补的太阳光谱来发电。

钙钛矿承诺,问题

研究人员最近开始寻找有机-无机钙钛矿混合材料作为硅电池的良好串联伙伴。钙钛矿的通话效率接近25%,有一个互补的带隙,可以非常薄(只有百万分之一米),可以很容易地沉积在硅上。

但是Dalal说,研究人员已经了解到混合钙钛矿太阳能电池在高温下会分解。

在美国西南部、澳大利亚、中东和印度等地,当你试图将太阳能电池阵列放置在阳光充足的炎热、干燥的沙漠中时,就会出现问题。这些地方的环境温度可以达到120到130华氏度,太阳能电池的温度可以达到200华氏度。

爱荷华州立大学(Iowa State University)的工程师们在国家科学基金会(National Science Foundation)部分资助的一个项目中,找到了一种利用钙钛矿有用特性的方法,同时在高温下稳定细胞。他们在科学杂志《美国化学学会应用能源材料》(American Chemical Society Applied Energy Materials)最近在线发表的一篇论文中描述了他们的发现。

“这些都是有前景的结果追求商业化的钙钛矿太阳能电池材料和更清洁,更环保的未来,“说Harshavardhan Gaonkar,论文的第一作者最近获得了爱荷华州立电气和计算机工程博士学位,现在在博伊西,爱达荷州,作为一个工程师在半导体。

调整材料

这篇论文的通讯作者Dalal说,新的太阳能电池技术有两个关键的发展:

首先,他说工程师们对钙钛矿材料的构成做了一些调整。

他们废除了材料中的有机成分——特别是阳离子,带有额外质子和正电荷的材料——而代之以铯等无机材料。这使得材料在更高的温度下保持稳定。

第二,他们开发了一种制造技术,将钙钛矿材料一次制成一层薄薄的——只有十亿分之一米。这种气相沉积技术是一致的,没有留下任何污染物,并且已经在其他工业中使用,所以它可以扩大到商业生产。

这些变化的结果是什么?

Gaonkar说:“我们的钙钛矿太阳能电池在超过三天的时间里,即使在200摄氏度(390华氏度)的温度下也没有出现热降解现象,这远远超过了太阳能电池在真实环境中所能承受的温度。”

然后Dalal做了一些比较和对比:“这比有机-无机钙钛矿细胞要好得多,它们在这种温度下会完全分解。所以这是该领域的一大进步。”

提高性能

报道了新型无机钙钛矿太阳能电池的光转换效率为11.8%。这意味着工程师们还有更多的工作要做。

Dalal说:“我们现在正试图优化这种电池,我们想让它更有效地将太阳能转化为电能。”“我们仍有很多研究要做,但我们认为,通过使用新的材料组合,我们可以做到这一点。”

例如,工程师们用溴取代了钙钛矿材料中常见的碘。这使得电池对水分的敏感性大大降低,解决了标准的混合钙钛矿的另一个问题。但是,这种替代改变了电池的性能,降低了效率,降低了它们与硅电池协同工作的效率。

因此,调整和试验仍将继续。

工程师们在论文中写道:“这项研究表明,无机钙钛矿材料和太阳能电池在更高的温度和更长的时间内具有比其他地方报道的更强的热稳定性。”“(这些)是在追求钙钛矿太阳能电池材料商业化方面有希望的结果。”

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