钙钛矿太阳能电池为何如此高效

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具有20%以上的效率并以低成本生产的太阳能电池——钙钛矿使这成为可能。现在,卡尔斯鲁厄技术研究所(KIT)的研究人员已经对钙钛矿太阳能电池的功能有了基本的了解。他们发现电子-空穴对的束缚态可以在光的吸收过程中形成。然而,这些对可以容易地分离,以便电流流动。此外,它们增强吸收。钙钛矿是最有前途的太阳能电池材料之一,当使用时,高效率可以与低成本的生产相结合。光伏研究的重点是含有机化合物和无机化合物的卤化物钙钛矿,因此被认为是混合半导体。在不到十年的时间里,这些钙钛矿有了显著的发展。同时,钙钛矿太阳能电池将超过百分之二十的入射光直接转换成可用电流,“KIT的光伏专家Michael Hetterich博士说,他协调了KIT与太阳能和氢研究中心BADEN-W URTRTBEG(ZSW)之间的合作。钙钛矿的巨大潜力也明显地从串联的太阳能电池,结合半透明钙钛矿顶部电池与硅或铜铟镓二硒(CIGS)底部电池。这允许太阳光谱的最佳使用。

目前的研究挑战在于提高钙钛矿太阳能电池的长期稳定性,并用环境相容的元素取代它们所含的铅。这就需要对钙钛矿层的结构和功能有深入的了解。应用物理研究所和光技术研究所的研究人员以及ZSW和路德维希MaxMiLi大学M.Munn辰研究了基于钙钛矿的薄层串联太阳能电池在CISOVSKIT下的功能(开发高效混合太阳能电池F)ROM CIGS和钙钛矿材料项目由联邦教育和研究部(BBF)资助。他们获得了有关光跃迁物理性质的新发现。

光跃迁是通过发射(释放)或吸收(吸收)光子,即光粒子来改变材料中电子的能量状态。在博士论文中,Heinz Kalt教授在KIT教授小组中指出,经典的卤化物-钛酸铅-碘化钾吸收剂在太阳能电池中的基本光跃迁具有激子性质。这意味着在吸收光粒子后,太阳电池中可能会形成激子。激子是束缚电子-空穴对,在很大程度上决定光电性质。为了获得自由电荷载流子并使电流流动,必须克服激子的结合能。

借助于温度依赖的电吸收光谱,Fabian Ruf用湿化学法研究了ZSW Moritz Schultes生产的甲基铵碘化铅吸收剂的半透明太阳能电池。结果可以得出关于在整个温度范围内从10欧凯文(-263°C)到室温的激子跃迁的结论。根据随温度变化而变化的钙钛矿晶体结构,激子结合能分别约为26和19毫伏。“因此,结合能小到足以保证在室温下电荷载流子的充分热分离,”Michael Hetterich解释道。此外,激子效应增强吸收。这两种效应共同使钙钛矿太阳能电池有效运行。

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