钙钛矿的力量

当亨利·史看到是多么容易使混合有机-无机钙钛矿晶体,他迷上了。基于太阳能电池研究人员,在英国牛津大学,一直在努力使吸光量子点,导电布合成产生几毫克。然后,在2008年,史之后看到Miyasaka从“汤姆”Toin大学横滨的日本,目前染料敏化太阳能电池(DSSCs)像他学习,但使用钙钛矿材料吸光组件。”他有一个很好的视频,混合两种盐后,他spin-coats解决电影和干燥明朗化了钙钛矿的时候,“Snaith)回忆道。钙钛矿的缓解是很有吸引力的。”

尽管Miyasaka细胞发表温和sunlight-to-electricity转换效率为3.8%,它点燃最热门的今天在太阳能电池研究领域。¹以及钙钛矿的简单的合成,科学家们发现,他们也拥有独特的结构和电子性质。数以百计的论文了,和效率,取得飞跃与研究设备现在挑战商业太阳能电池。虽然光伏技术是出了名的容易炒作,一些吸引了太多的关注和乐观。但随着技术和商业障碍尚未明确,将钙钛矿满足这些期望?

尽管有钛酸钙矿物称为钙钛矿,这个名字也指所有材料分享其ABX₃晶体结构。Miyasaka带钙钛矿DSSCs感谢博士生Akihiro小岛,研究其潜在的半导体材料发光二极管在他的硕士学位。他们最好的初始钙钛矿是有机-无机杂化methylammonium三碘化铅,CH₃NH₃PbI₃,由混合methylammonium碘,CH₃NH₃我和领导(二世碘、PbI₂。

进行调查

Miyasaka的团队spin-coated纳米晶体上的钙钛矿二氧化钛(TiO₂)担任DSSC的阳极糊,收集电子吸光生成的钙钛矿(见钙钛矿光伏基础)。尽管处理困难,系统提供了一个替代液体电解质DSSC的光吸收能力,但也带来一个问题:为什么它这么好?钙钛矿是首先考虑工作quantum-dot-type感光剂,因为它们的光线吸收波长可协调的,“Miyasaka解释道。

Toin大学团队发表了第一篇论文后,史问Miyasaka他的博士生迈克李是否能访问日本学习钙钛矿合成。2011年访问将材料远离液体DSSCs,使用挥发性液体,需要谨慎的控制是一个主要的缺点。他巩固了原来perovskite-based细胞使用固态有机空穴导体,“Miyasaka说。”迈克回到牛津,一年后成功地制造了高效细胞”。²

史和李交换时出现效率高的导电二氧化钛层绝缘铝(Al₂O₃)。由TiO的细胞₂,收费似乎运输和收集的速度比有机染料感光剂,Snaith)说。我们推测,钙钛矿也进行一些费用,所以我们做了假氧化铝细胞。很惊讶当第一个细胞效率10%以上,当他们使用TiO只有7%₂”。意想不到的结果迫使人们重新思考:而不是量子点,很明显,钙钛矿形成片状半导体晶体如二氧化钛和氧化铝多孔支架上。

两个对话的故事

与此同时,在瑞士洛桑联邦理工(EPFL) Miyasaka最初的论文也提醒DSSC共同发明人Michael Gratzel钙钛矿的潜力。他被他们所吸引强烈的光吸收与其他感光剂相比,但在他的团队试图再现结果,他们发现钙钛矿高度不稳定。然后,在2011年,Gratzel Nam-Gyu公园见面韩国成均馆大学在韩国,曾推动perovskite-based DSSCs的稳定和效率,部分是由开关旋转涂布溶剂N, N -二甲基甲酰胺gamma-butyrolactone。³

在若干领域的友好竞争

Michael Gratzel

利用这一点,Gratzel和公园与固态电池效率9%,使用相同的有机空穴导体李,但保留二氧化钛脚手架。⁴我们发送论文发表,然后亨利Snaith)给了我们一个说话,我们发现我们正在非常相似的东西,“Gratzel回忆说。提交后但发表在他们的竞争对手的固体成分,这些“介观”细胞——他的名字反映了5-50nm支架的孔隙大小,进一步增强其稳定性。

Gratzel和Snaith)已经率先在很大程度上独立探索,钙钛矿使太阳能电池的架构。为他们的细胞结构,Gratzel和合作者主要坚持介孔金属氧化物,而史此前在Gratzel的实验室工作,已经远离他们。在若干领域的友好竞争,Gratzel笑着说。“谁有最好的细胞?最好的配置是什么?谁将使其行业?”

史开始稀释他的铝支架,然后则完全删除了该文给平面,薄膜电池。其他薄膜光伏材料通常是简单生产但非晶,因此充满了缺陷障碍表现相对缓慢,导致高晶体硅电池。相比之下,薄膜钙钛矿是高度结晶,很容易使。

你只是两盐和产品岩浆混合,形成近乎完美的半导体对每个人都是一个莫大的惊喜,”史激动地说。“这真是令人兴奋的方面。钙钛矿都非晶态材料的加工优势,但似乎高度结晶半导体的高质量的半导体性质。我不相信有另一个家庭的材料,这些属性。

从旋转涂布消磨

Snaith)成立的子公司,牛津大学光伏,正试图利用这种行为,发展大面积solution-coating方法。而不是试图与现有的商业技术竞争,他们的首要目标是产生半透明细胞,把窗户变成发电站。,有一个很好的建筑光伏市场低效率,如果它有一个审美优势,”史说。

然而,尽管到目前为止,已经取得了快速发展,钙钛矿的许多方面的可取的特征保持神秘。与史密切合作Annamaria Petrozza从意大利米兰理工学院已经表明,高质量的晶体有助于解释很多。她强调去年发表的新合成方法,一个史的团队介绍了薄膜电池⁵和另一个从Gratzel的团队,⁶导致效率超过15%。

的主要示范是如果你控制电影形态能够使设备效率大增,“Petrozza说。机械的有机阳离子有更多的功能——它不会直接导致材料的电子性质。电子性质原则上由无机代理、铅和卤化物。然而,有机阳离子的大小能够诱导应力或约束效应,可以确定材料的光电特性。然后,晶体自组装可以如何影响费用的运输方式和光吸收。”

自从他们第一次与Miyasaka合作,Snaith)的团队通常使用混合iodide-chloride钙钛矿,提供一个重要的刺激。⁷少量的氯掺杂导致更长的扩散长度为生成的载体,例如,但这是如何发生的还不清楚,”Petrozza说。然而,氯原子可能不参与钙钛矿的结构一直认为,她补充道。

太阳能销售

长意味着更多的电子和空穴扩散长度可以达到细胞钙钛矿电极和创建一个外部电流。他们还帮助建立高电荷密度细胞内,依次确定的开路电压,电能细胞生成,最终它的效率。

钙钛矿非常便宜

Tsutomu Miyasaka

的开路电压最高的光伏系统所实现太阳能电池吸收可见光的波长800 nm在砷化镓,能产生1.12 v的,”之后解释道。他说他的团队将报告一个太阳能电池的输出电压是最大化的理论极限。而不是薄膜结构Snaith)的集团正在寻求设备汇集了优质钙钛矿晶体薄膜和晶体有机空穴传输材料。”一个完全晶体太阳能电池由结能产生1.21 v,这是有史以来最大的电压,“Miyasaka说。

这种性能不需要来溢价。钙钛矿,由铅和有机卤化物,是非常,非常便宜,“Miyasaka说。300 - 400 nm厚钙钛矿的重量只有1.2 -1.7 g / m²。基于大规模生产钙钛矿的价格,成本1美元/米²(£0.60 m²]。“添加其他材料,工程师估计总成本每25 - 30美元²,比硅或CdTe细胞。”此外,生产成本比硅钙钛矿是便宜得多,因为这是一个快速解决方案的过程,高温真空的自由。

速度不是万能的

独立发展自己的细胞钙钛矿后,唱Il Seok的团队在韩国化学技术研究所(KRICT)在大田与Gratzel密切合作的介观设计。在一起,Gratzel和Seok的团队发现他们可以增加他们的开路电压通过交换有机空穴导体的细胞从以前spirobifluorene聚芳环被称为斯皮罗-OMeTAD poly-triarylamine。⁸在这一过程中,他们交付12%的效率,记录细胞钙钛矿。

Seok还开发了旋转涂布给所需的高质量晶体的最佳效率,利用gamma-butyrolactone和二甲亚砜(DMSO)作为溶剂。具有讽刺意味的是,好处是,因为钙钛矿的吸引力快速合成可以太快。如果它们形成涂层溶剂沸腾了,就会扰乱他们的晶体结构。“即使我们使用高沸点溶剂,他们可以在旋转涂布蒸发由于离心力,“Seok说。DMSO有助于避免造成的破坏,将导致通过阻止晶体形成旋转涂布之前已经停止。“它作为溶剂和反应物之间的反应——它可以延缓碘化铅和methylammonium碘化”。

陪审团还

Michael Gratzel

现在,KRICT团队把一个平面薄膜层到介观设备生产使用这些方法。⁹在这样做了认证的钙钛矿的太阳能电池的效率最高,为17.9%。这进入商业光伏组件效率记录的范围,站在17%,集团为21.5%,硅,并避免问题困扰平面钙钛矿设备。

-滞后的问题是最明显的在细胞效率测量,可能带来性能问题。设备通常是第一个扫描从高压到低,但如果反向扫描然后立即进行,平面细胞通常显示一个不同的概要文件。“我们不能报告这些数据因为定义良好的太阳能电池不应该显示出较大的滞后,“Seok承认。为了解决这个问题我们花了很多时间控制架构和钙钛矿层的厚度和孔隙宽度。最后,我们选定了一个双分子层,结合介观和一个平面层。”

希望能胜过炒作?

新兴领域面临的一个问题在于在这些高质量的晶体的中心——有毒的铅。“问题是,这是一个可溶性化合物,“Gratzel解释道。我们铅电池和CdTe太阳能电池,可以更多的问题,但他们不溶性。行业将会非常小心大规模部署这样的材料。

Gratzel相信这障碍将被克服,如果不是由太阳能模块设计,然后由锡钙钛矿由史的团队等等。¹⁰以及消除毒性,或者使串联细胞提高效率进一步通过两种不同钙钛矿层吸收太阳光谱的不同部分。Gratzel强调串联设计已经吸引硅社区的兴趣大,那些想要在他们的设备中加入钙钛矿。

Miyasaka提出来的第一个细胞,钙钛矿的溶解度也意味着暴露于水分不稳定。这可能是另一个问题为大规模、长期的太阳能发电,尽管Gratzel解释说,他的研究小组最近取得了重要的进展。¹¹我们地址稳定hole-conductor-free系统使用碳作为集电极,“Gratzel解释道。你得到的细胞是稳定的整整1000个小时在阳光和45°C。然而行业标准测试是在85°C,湿度85%,他承认,在这些条件下,“陪审团还”。

钙钛矿细胞的承诺是伟大的,但依然存在的挑战带来不小的风险,Gratzel警告说。应该避免夸大的情况下,即使它无疑是非常积极的,”他强调。有很多的问题和缺陷,我们必须非常小心不要撞上一堵墙。但这是一个了不起的一类材料,改进惊人。这是一个了不起的旅程。”

安迪Extance在埃克塞特是一个基于科学作家,英国