研究人员为太阳能电池开发新型无铅钙钛矿材料

研究人员为太阳能电池开发新型无铅钙钛矿材料

一类称为钙钛矿材料成为制造廉价、高效的太阳能电池硅的一种很有前途的替代。但是他们所有的承诺,也不是没有缺点的钙钛矿型氧化物。大多数含有高毒性的铅,包括暴露在环境中并不是特别稳定的有机物质。

现在,一组在布朗大学和内布拉斯加大学的研究人员−Lincoln(UNL)想出了一个新的无铅钛基材料,无机钙钛矿太阳能电池。在发表在焦耳期刊上的一篇论文中,研究人员指出,这种材料可能是一个很好的候选材料,特别是用于制造串联太阳能电池的安排,其中一个钙钛矿细胞放在硅或另一个已建立的材料上,以提高整体效率。

“钛是一种丰富的,强大的和生物相容性的元素,直到现在,已经在很大程度上忽视了钙钛矿结构的研究,“新研究的资深作者Nitin Padture说,奥的斯E.兰达尔大学教授在布朗的工程学院和研究院院长分子和纳米创新。“我们发现,使用钛基材料制成的薄膜材料是可能的,材料对太阳能应用的可调谐性能良好。”

对钙钛矿,一类具有特定晶体结构的材料,清洁能源的出现在2009,当他们能够将阳光转换成电能。第一种钙钛矿太阳能电池的转换效率只有4%左右,但很快飙升到接近23%,这与传统硅电池相匹敌。和材料提供一些有趣的优点。它们可能比硅电池便宜得多,而且可以部分透明,使新技术如Windows产生电能。

“一个在钙钛矿研究大推力是远离铅基材料和发现是无毒的和更稳定的新材料,”Padture说。“利用计算机模拟,我们的理论家的合作者在UNL预言类钙钛矿与铯,钛和卤素(溴或碘的成分)是一个很好的候选人。下一步是用这种材料制造一个太阳能电池并测试它的性能,这就是我们在这里做的。

团队由半透明的钙钛矿薄膜有光子的物质的能量水平bandgap-a措施能1.8电子伏特的吸收,是串联太阳能应用的理想选择。研究人员说,这种材料的转换效率为3.3%,远远低于铅基电池,但这是一种全新材料的良好开端。

“有很多工程可以提高效率,”布朗大学的助理教授(研究)袁元舟和一个研究合著者说。“我们认为这种材料还有很大的改进空间。”

闵晨是布朗大学材料科学专业的博士生,也是论文的第一作者,他使用高温蒸发的方法来制作电影,但是他说研究小组正在研究其他的方法。他说:“我们也在寻找新的低温和溶剂化方法,以降低细胞制造的潜在成本。”。

研究表明,该材料比其他无铅钙钛矿替代品具有许多优点。对于无铅钙钛矿竞争者主要是由锡材料,容易生锈,当暴露于环境。在手上,钛是防锈的。钛钙钛矿具有开路电压的测量可以从太阳能电池的电压总在一伏。其它无铅钙钛矿通常产生的电压小于0.6伏。 

“开路电压是一个关键的属性,我们可以使用评估太阳能电池材料的潜力,”Padture说。“因此,一开始就有如此高的价值是非常有前途的。”

研究人员说,与硅相比,材料的相对较大的带隙使它成为串联太阳能电池的顶层。钛钙钛矿层将吸收较低的硅层无法吸收的太阳高能光子,因为它的带隙较小。同时,低能光子通过半透明的上层被硅吸收,从而提高了电池的总吸收能力。

“串联电池低悬的果实的时候,钙钛矿,”Padture说。“我们现在还不想取代现有的硅技术,但我们正在努力推动它的发展。所以如果你能制造一个稳定的无铅串列电池,那就是赢家。这种新材料看起来很合适。”

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