太阳升起在钙钛矿

钙钛矿的太阳能电池在2009年首次报道以来,他们的记录效率从3.8%到超过25%。基本上每个星期都会突破了在稳定、效率和适用性。世界上充斥着钙钛矿从顶尖大学初创企业和赚钱。然而,如果你想购买太阳能电池屋顶或郎普,你将只提供硅或者低效率的薄膜的选择。钙钛矿的太阳能电池的商业发射计划,今年的问题他们是否会期望的担子变得日益紧迫。

太阳能电池光转化为电能。在其中心位于一层半导体的能级填充从核心到一个特定的点(价带)。高于这个谎言一个地区不含能级(隙),然后在更高的能量,一个连续的状态形成传导带。物质的基态,导带是空的,但适当的高能光子的半导体可能被吸收,激动人心的价带的电子跳跃传导带,留下了一个带正电的价带中的“洞”。分离电荷创建一个整个半导体的电位差。

硅,在几个方面,而不是理想的光伏材料。首先,它不吸收光线很好,因为它有一个间接带隙——最高能量价电子与最低能量传导电子动量。之间的一个电子,因此不能直接通过乐队通过吸收或发射光子,它必须同时交换量子晶格的振动称为声子。这样一个三体相互作用是不太可能,所以光子传播进一步通过硅之前多吸收。硅太阳能电池,因此不能简单地打印在电影,而是必须减少作为单独的晶片。

这就增加了成本,也加剧了另一个问题:从硅中提取费用是很困难的。'如果你有一个边缘的悬空键硅——所以你来到水晶,你失踪的边缘进一步硅原子,你最终得到的缺陷状态中间能带,”物理学家解释说亨利·史英国牛津大学的的先驱之一钙钛矿光电和剥离的共同创始人牛津大学光伏。“电子被局限在这些缺陷状态和不能为你的太阳能电池的性能。“优质、高效单晶硅太阳能电池,因此需要。

几个direct-bandgap,薄膜技术,如碲化镉和铜铟镓硒化硅从来没有匹配的效率,随着硅的成本下降,似乎越来越有吸引力。此外,他们的扩张规模需要供应世界电力需求将有限的资源。2022年,全球太阳能发电装机容量自责过去1 tw,我们可以使细胞需要每年产生约200兆瓦电力。产生100%的能源来自太阳能,到2050年,这需要增加到大约10太瓦。使用硅电池Snaith)计算,这样做需要三年的硅的生产。这样使用铜铟镓硒电池需要400年的铟,这样使用砷化镓电池500年”的镓和碲化镉电池1000年碲。

钙钛矿的承诺

然而,钙钛矿吸引光电社区的原因很多。或许最重要的是,他们很容易由结晶从解决方案。这不会产生没有缺陷的电影,但它不需要。说,这些材料都是几乎完全离子史。“当你有一个缺陷,这个缺陷的能量接近或连续的状态。结果是,我们可以有一个非常高的晶体缺陷密度但他们工作很好一个太阳能电池。此外,钙钛矿的兴趣往往完全从地球上充足的材料制成,以10 tw安装需要几天的铅生产,例如。

钙钛矿也极具吸引力的串联太阳能电池,包括顺序层具有不同带隙能更有效率地使用广谱的光。晶体硅总是有相同的能带隙1.12 ev——位于红外。低能量光子不吸收,而多余的能量从高能光子倾倒晶格热。钙钛矿结构,然而,可以用公式ABX包含任何材料₃A和B是阳离子和X是一个阴离子(或混合阴离子)。这给化学家提供了一个非常宽的选择可能的成分,至关重要的是,选择改变了能带。

最初,最好的结果被发现与methylammonium碘化铅(CH₃NH₃PbI₃),它有一个能带超过1.6电动汽车,但这些离子可以部分或完全切换。我们可以交换溴化碘在X网站或通过氯化,得到轨道的萎缩和能带隙的扩大,“Snaith)解释说。所以你从一个可能在近红外吸收材料通过可见的蓝色甚至紫外线。我们也可以替代金属网站组14:从锗通过领导到锡可以逐步减少隙。

钙钛矿的问题

钙钛矿的主要障碍的商业化,然而,一直不稳定问题。如果你硅片和把它在雨中,它会没事的,这仍然是一个硅晶片,“电气工程师说奎因伯林盖姆美国新泽西州普林斯顿大学的。钙钛矿,你真的,真的必须努力工作来避免所有的退化模式,这些东西可以接受。”这些是由于外在因素,可以原则上,避免通过细胞的设计。说,“毕竟这是盐林恩厕所普林斯顿大学的小组。他们非常容易受到湿度,所以需要正确的包装,需要正确的接口…这是一个大量的事情需要去适合稳定性高。其他人来自内在因素,必须通过裁剪钙钛矿本身。你不能避免光,一点加热——从太阳,”伯林盖姆说。

许多研究小组的离子成分的钙钛矿在高度变量,通常反对提高稳定性的方法。的一个主要问题与有机-无机钙钛矿的热稳定性是有机配体,特别是methylammonium:CH₃NH₃PbI₃在85°C开始分解,即使在惰性气氛。

因此远离了methylammonium,主要向更大、波动较小formamidinium离子[CH (NH₂)₂⁺]-这也缩小隙,使单结细胞更有效。然而,钙钛矿表现出多态性,他们只是photo-active在黑色立方相。Formamadinium太大的黑色阶段其碘化铅大力支持低于150°C。相反,它形成了黄色六角阶段。

2015年,韩国化学技术研究所的研究人员大田显示添加methylammonium 15%左右可以稳定formamidinium碘化铅的黑色在室温下阶段。随后,在2020年,Michael Gratzel在瑞士洛桑的欧洲,和他的同事们稳定formamidinium无限期碘化铅通过沉积硫氰酸methylammonium蒸汽。

如果我不得不买一个小组将在我的屋顶…毫无疑问将formamidinium的主要阶段,“Gratzel表示Snaith)的前导师EPFL集团随后到达许多具有里程碑意义的结果独立的我们有一个新的稳定的效率记录(在结果细胞)我们发表(1月)科学李雄集团与武汉…这是一个formamidinium-based钙钛矿”。

在串联工作

厕所的普林斯顿集团,与此同时,正在研究的好处完全放弃有机配体和使用一个简单的金属阳离子的网站。不幸的是铯-最大的可行的选择太小黑色阶段在室温下是稳定的。相反,低于300°C CsPbI₃也变成黄色,因为它进入斜方晶系的阶段。厕所的组织收缩粒度,这就增加了表面积相对于大部分和从而冷待了不受欢迎的相变。

CsPbI₃有一个稍宽的能带隙(1.73 ev),这样可以减少单结钙钛矿的效率细胞,但伯林盖姆认为,这是一个值得付出的代价。我们采取了更稳定的选择,因为这给了我们一个概念验证,适当优化钙钛矿太阳能电池可以稳定,其次一个基线,允许我们工程师向更高的效率,我认为这是一种相反的方式这一领域一直走了,”他说。在任何情况下,他补充说,“近年来硅的成本大幅下降,人们并不是寻找一个替代,他们更寻找一种方法来补充和硅的补充。”

牛津PV赞同这一理论,是今年计划可能是第一个商业销售与钙钛矿串联太阳能电池硅、设计集成在传统太阳能电池板。添加这个钙钛矿顶层可能增加商业细胞的效率从24%左右提高到27%,该公司声称。牛津PV不披露其太阳能电池的成分。指他的研究工作,然而,Snaith)说,具有讽刺意味的是,有机-无机杂化钙钛矿实际上是更稳定。这可能是由于铯的吸附性质卤盐…超过25年的领域会有一些潮湿,甚至进入最好的封装细胞。”

描述的吸引力对硅钙钛矿三轮车,Snaith)说,如果你能增加一个模块的效率20%说,和你没有驱动生产模块的成本由很多,你或多或少得到的成本减少20%电力生成…我们利用现有的行业。“然而,他也承认,如果钙钛矿太阳能电池一样成功的他和其他研究人员希望,最终结果应该是多层串联钙钛矿太阳能电池。

Kai朱和他的同事在美国国家可再生能源实验室在科罗拉多州,以及其他几个学术实验室和商业公司,正在研究多层串联细胞(虽然朱镕基指出NREL研究人员正在开发有用的钙钛矿任何应用程序)。他们——就像其他一些团体产生methylammonium-free混合铯和formamidinium钙钛矿的一个网站。[Formamidinium]是爸爸熊——太胖;铯是熊宝宝太薄;你把它们放在一起,你可以进入适居带,“NREL的解释道约瑟夫·贝瑞。

生产理想的串联太阳能电池需要调优的能带隙顶部和底部细胞相互补充。宽禁带的细胞,这通常包括溴化碘化混合和X的网站。这可能导致相分离——当分开两个盐结晶,而不是形成一个混合电影或通过电影随着时间的迁移。朱和他的同事们已经表明这可能是在他们自己的细胞明显减少通过改变干燥这部电影的方法。降低细胞通常包括底部的能带隙混合铅和锡的网站,这是具有挑战性的,因为锡钙钛矿或混合铅钙钛矿通常比纯铅钙钛矿更稳定,部分原因是Sn^{2 +}锡离子很容易被氧化^{4 +},造成钙钛矿的分解晶格。NREL的研究人员公布了太阳能电池,缓解了这一问题,而且细胞串联连接底部的细胞提供了一些保护高能光子最有可能导致氧化。

强大和稳定

与多个团体试图将各种钙钛矿太阳能电池设计从实验室到市场,它变得越来越重要开发标准化的方法来比较他们的长期耐久性。钙钛矿太阳能电池将持续多长时间推断,然而,是很棘手的。没有perovskite-specific的加速老化测试,因为没有人真正知道钙钛矿太阳能电池-希望- 25年或更长时间后降解。测试,人们把很多有时被称为一个80 - 80测试或湿热试验、热循环在80%湿度从-60°C到80°C很多次,基本上应该产生应力层硅封装和分层的模块,这是硅失败,”伯林盖姆解释道。”他们没有测试硅转变为不同的变形或一些化学物种进来和攻击硅…就像吃尾巴的蛇:你需要知道的退化模式选择测试,但您还需要运行一些测试,看看哪个退化模式。”

厕所的小组估计,钙钛矿本身的化学稳定性在屋顶温度测试在一系列温度升高和策划如何一生多样。如果降解机制是热激活,你可以看到所有你的数据崩溃成一个特定的函数形式,然后你可以说,这是一个特定的机制或多个机制具有相同的温度依赖性,“厕所说。这是第一件事应该试一次,如果你有一个非常稳定的细胞,然后你可以推断一生如果你想。但是你需要确保数据下降的地方才能继续后续的分析。”2020年,多个来自世界各地的专家,包括所有这些采访,发表了共识声明提出的一套程序测试和报告钙钛矿的稳定细胞钙钛矿的基于已知退化模式。

稳定的发表记录(效率)在钙钛矿光电都涉及铅卤化物,这是绝大多数的研究和开发的重点。(中国公司Microquanta据报道承诺今年将卤化锡半导体市场,但进一步的细节尚不清楚)。这导致担忧的安全性和市场性含有可溶性盐的有毒金属。

铅可能会排除perovskite-based光伏发电的使用可能被吃掉的儿童玩具

Gratzel谨慎:“我们必须非常小心,”他说。的摄取1毫克的人我的尺寸已经是有毒的。大规模、字段太阳能农场周围的栅栏,我看没问题。屋顶可能是好的——我有硅太阳能电池在我的屋顶,它不会发生在我去那里开始摆弄这些。但当人们开始谈论灵活的细胞,我想说这是一个不方便:消费品我们绝对不能容忍。”

Snaith)仍然看涨,注意钙钛矿欧盟资助的研究项目发现地平线2020人进行了一次环境影响评价对硅钙钛矿串联细胞添加钙钛矿和得出结论,对环境的影响是正面的。我们看着的ecotoxicological影响所有不同的材料、步骤和层,”他说。的硅仅占超过40%的环境影响,这基本上是与力量,走进生产硅片,氧化铟锡铟的占30%,主要是有关矿业的铟。卤化铅的铅钙钛矿,假设它是完全释放到环境中——不会发生——相当于大约0.3%的整体生态毒性,所以你实际上拥有一个积极的环境影响,抵消硅的生态毒性。贝瑞依然持怀疑态度的毒性问题。的领导可能会排除使用perovskite-based光电在儿童玩具,可能被吃掉,但即使你的孩子吃,我们认为我们可以,”他说。

要求名称钙钛矿的稳定面临的最大问题太阳能电池,史笑着说。我认为没有问题,”他说,肯定有事情需要处理,使稳定的东西。它很容易制作不稳定钙钛矿的太阳能电池。

蒂姆Wogan在俄勒冈州是一个基于科学作家,我们

由于泰德•萨金特和本·陈在美国西北大学的额外援助与研究