工程研究人员破解提高太阳能电池效率和耐用性的密码

Josiah02 · 发表于 2024-8-2 08:30:49

　　光伏技术将光能转化为电能，在世界各地越来越多地用于生产可再生能源。香港科技大学工程学院的研究人员开发了一种分子处理方法，可显著提高钙钛矿太阳能电池的效率和耐用性。他们的突破将有可能加速这种清洁能源的大规模生产。
　　解决方案的关键在于他们成功确定了决定卤化物钙钛矿性能和寿命的关键参数。卤化物钙钛矿是下一代光伏材料，因其独特的晶体结构而成为光伏设备中最有前途的材料之一。该研究成果已发表在《科学》杂志上。
　　研究团队由电子与计算机工程系和先进显示与光电子技术国家重点实验室助理教授林彦宏带领，研究了钝化的各种方法。钝化是一种化学过程，可以减少材料中的缺陷数量或减轻其影响，从而提高由这些材料制成的设备的性能和寿命。他们专注于使用“氨基硅烷”分子家族来钝化钙钛矿太阳能电池。
　　“过去十年来，多种形式的钝化对于提高钙钛矿太阳能电池的效率非常重要。然而，导致最高效率的钝化路线通常不会显着改善长期运行稳定性，”林教授解释说。
　　研究团队首次展示了不同类型的胺（一级胺、二级胺和三级胺）及其组合如何改善钙钛矿薄膜表面（这些表面会产生许多缺陷）。他们使用“非原位”（操作环境之外）和“原位”（操作环境之内）两种方法来观察分子与钙钛矿的相互作用，从而实现了这一目标。
　　由此，他们发现了可显著提高光致发光量子产率（PLQY）的分子，即材料激发期间发射的光子数量，这表明缺陷更少、质量更好。
　　“这种方法对于串联太阳能电池的开发至关重要，串联太阳能电池结合了多层具有不同带隙的光活性材料。该设计通过吸收每层太阳光的不同部分，最大限度地利用了太阳光谱，从而提高了整体效率，”林教授说。
　　电子及计算机工程系及先进显示与光电子技术国家重点实验室助理教授林彦宏（右）、电子及计算机工程系博士生曹雪莉（中）和先进显示与光电子技术国家重点实验室高级经理杨菲昂博士（左）。图片来源：香港科技大学
　　在太阳能电池演示中，该团队制作了中型（0.25 平方厘米）和大型（1 平方厘米）尺寸的器件。实验在很宽的带隙范围内实现了较低的光电压损失，并保持了较高的电压输出。
　　这些器件的开路电压高达热力学极限的 90% 以上。与现有文献中约 1,700 组数据进行对比，结果表明，其结果是迄今为止能量转换效率最高的。
　　更重要的是，该研究表明，按照国际有机太阳能电池峰会 (ISOS)-L-3 协议（一种太阳能电池的标准化测试程序），氨基硅烷钝化电池具有显著的运行稳定性。
　　在电池老化过程进行约 1,500 小时后，最大功率点 (MPP) 效率和功率转换效率 (PCE) 仍保持较高水平。对于钝化效果最佳的电池，当其效率降至初始值的 95% 时，最佳 MPP 效率和最佳 PCE 分别记录为 19.4% 和 20.1%——这是迄今为止报告的最高（考虑到带隙）和最长的指标之一。
　　林教授强调，他们的处理工艺不仅提高了钙钛矿太阳能电池的效率和耐久性，而且适合工业规模生产。
　　“这种处理方法类似于半导体行业广泛使用的 HMDS（六甲基二硅氮烷）底漆工艺，”他说。“这种相似性表明，我们的新方法可以轻松集成到现有的制造工艺中，使其具有商业可行性并可供大规模应用。”
　　该团队成员包括电子与计算机工程博士生曹学礼、先进显示与光电子技术国家重点实验室高级经理Fion Yeung博士，以及来自牛津大学和谢菲尔德大学的合作者。

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