具有超长稳定性的钙钛矿太阳能电池

钙钛矿是未来进一步提高太阳能组件效率的巨大希望。到目前为止，它们的使用寿命短一直被认为是它们实际使用的最大障碍，但这可能很快就会改变。在最新一期的NatureEnergy杂志上，来自ForschungszentrumJülich的HelmholtzInstituteErlangen-Nuremberg的研究人员展示了一种因其特殊稳定性而引人注目的变体。在超过1450小时的高温和光照测试中，基于钙钛矿的电池保持了其初始效率的99%。

钙钛矿的一个特征是特定的晶体结构。不同原子和分子的多种材料组合是可能的，其中一些表现出铁电、超导或光伏特性。尽管自19世纪初就已为人所知，但直到最近才发现用于光伏发电的材料类别。仅需要10年的研究，以前所未有的速度将效率提高到传统硅太阳能电池的水平。与硅晶体相比，钙钛矿具有几个决定性的优势：它们可以轻松生产、成本效益高且节能方式。钙钛矿细胞层仅几百纳米厚的，也可以很好地应用于传统的硅电池。虽然基于硅的技术已经被认为是成熟的，但这种“串联太阳能电池”为进一步提高太阳能电池的效率提供了新的机会。

稳定性问题

“钙钛矿太阳能电池的致命弱点是它们的耐用性低，”位于ForschungszentrumJülich的HelmholtzInstituteErlangen-Nuremberg(HIERN)的ChristophBrabec教授解释说。“经典的硅模块非常耐用。即使在实际使用20多年后，它们的性能也几乎没有损失。”另一方面，由钙钛矿制成的太阳能电池通常在几天或几周后就会失去效率。早期的细胞实际上可以被观察到老化，在实验室中打开灯后几秒钟或几分钟内效率就会下降。

“另一方面，我们现在在NatureEnergy中展示的太阳能电池以其卓越的稳定性而令人印象深刻。在长期测试中，这些值无疑是平面钙钛矿太阳能电池有史以来最好的测量值之一，”Brabec说。照明电池必须在实验室中65摄氏度左右的高温下存活1450小时，并且在整个测试期间基本保持稳定。最终，它仍然具有初始效率的99%。“长期预测总是很困难。但我们现在开发的钙钛矿太阳能电池在正常情况下肯定可以运行超过20,000小时，”布拉贝克教授估计。

通过高吞吐量取得成功

结果绝非偶然。在寻找合适的材料时，研究人员使用高通量方法系统地测试了数百种不同的钙钛矿混合物的适用性。然后研究人员使用最好的来构建他们的细胞。“即使你只依赖经过验证的组件，你也会想出大量可能的成分，我们可以使用我们的方法自动生产和测试这些成分。在其他研究中，有时甚至更多，”玩游戏的YichengZhao博士解释说。在科学调查中发挥关键作用。“这就是为什么我们需要使用系统方法来确定最佳材料组合的原因。”

另一个重要的优化步骤涉及电池内钙钛矿的稳定接触，它由几个薄层构成。通常用于接触电池的离子掺杂剂或金属氧化物纳米颗粒在较高温度下往往会发生二次反应。这种反应甚至会导致金属电极腐蚀，正如HIERN的研究人员能够通过测量和扫描电子显微镜证明的那样。因此，接触和电导率在早期劣化。

YichengZhao博士谈论新型超耐用钙钛矿太阳能电池。(长度：1:22分钟)。图片来源：HIERN/KurtFuchs

“为了提高接触点的稳定性，我们将整个电极包装在一种保护壳中，”赵说。一种新的双层聚合物结构，底部未掺杂，顶部掺杂非离子掺杂剂，可防止降解并确保保持接触。一方面，这种结构保护了与钙钛矿非常敏感的界面，另一方面，它显示出异常稳定的导电性，即使在高温下也是如此。

对于未来，HIERN研究人员现在的目标是进一步提高效率。“20.9%的效率，被测试的电池还没有完全发挥潜力。在不久的将来，24%到25%应该是可能的，”YichengZhao解释说。

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