环保型纳米晶体太阳能电池创下新性能记录

Josiah02 · 发表于 2024-10-25 20:28:44

在气候变化时代，可再生能源迅速普及，太阳能电池就是这一转变的一个突出例子。例如，2023 年，西班牙的太阳能光伏发电装机量比上一年增长了 28%，占西班牙总发电量的 20.3%，这一趋势在大多数西方国家也同样存在。
尽管太阳能电池已经商业化并且具有毋庸置疑的环境效益，但它们仍然有改进的空间，因为它们通常基于不完全可持续的材料。
无处不在的太阳能收集（超越太阳能发电场）被认为是为建筑物、基础设施、物联网系统甚至车辆供电的途径。这需要轻质、低成本、灵活且环保的太阳能电池技术。
因此，科学界正致力于寻找可持续的替代方案，以保持（甚至提高）发电效率、降低成本并简化当前太阳能电池的制造工作。
一种有前途的环保替代材料是胶体银铋硫化物（AgBiS 2）纳米晶体，这种材料的特点是吸收系数极高，因此可以作为太阳能电池的超薄膜吸收剂。
通过逐层制造工艺，太阳能电池的性能已得到报道。但为了最大限度地减少材料损失、降低成本并提高制造可扩展性，必须用单步方法取代多步沉积方法。
这可以通过开发 AgBiS 2纳米晶体墨水来实现。自 2020 年以来，已报告了多项研究。然而，由此产生的 AgBiS 2纳米晶体仍然表现出明显的表面缺陷，同时太阳能电池的功率转换效率较低，这意味着旨在消除这些缺陷的技术（称为表面钝化）效果不够好。
剩余的表面缺陷捕获了由阳光产生的电荷载流子并触发它们的复合，从而将设备效率降低到比逐层制造工艺所达到的效率更低的水平。
因此，需要一种更简单但更有效的 AgBiS 2纳米晶体墨水钝化方法，以使环保太阳能电池的效率更接近竞争水平。
最近，在 ICREA 教授 Gerasimos Konstantatos 的带领下，ICFO 研究人员 Jae Taek Oh 博士、Yongjie Wang 博士、Carmelita Rodà 博士、Debranjan Mandal 博士、Gaurav Kumar 博士和 Guy Luke Whitworth 博士在这个方向上迈出了重要一步。在一篇《能源与环境科学》文章中，他们报道了一种后沉积原位钝化 (P-DIP) 策略，该策略可改善表面钝化，从而产生具有增强光电性能的纳米晶体墨水膜。
由此产生的超薄太阳能电池比多步沉积太阳能电池表现出更高的能量转换效率，创下了环保型纳米晶体太阳能电池的新性能记录。
沉积后原位钝化可改善表面钝化效果
ICFO 研究人员成功钝化了纳米晶体墨水膜中存在的表面缺陷。“想象一下颠簸的道路会减慢汽车的速度。表面钝化就像重新铺设道路，使其更平坦，这样汽车就可以行驶而不会被卡住。
“在我们的案例中，去除表面缺陷对于促进纳米晶体薄膜中光吸收产生的电荷载体的传输非常重要，”文章第一作者 Jae Taek Oh 博士解释道。“使用我们的 P-DIP 方法，电荷载体可以在 AgBiS 2纳米晶体薄膜内移动，而不会‘撞上那么多障碍物’ ，”他补充道。
通过适当的钝化策略减少缺陷可提高薄膜质量，从而提高太阳能电池的性能。它们的效率比以前基于 AgBiS 2纳米晶体的太阳能电池高出约 10%，其中涉及单步沉积法和逐层沉积法。
为了获得这些出色的结果，该团队通过引入含氯的多功能分子剂合成了 AgBiS 2纳米晶体墨水。其分子结构有助于稳定纳米晶体并将其均匀分散在溶液中，这是确保涂层光滑的两个关键因素。
在沉积薄膜后，研究人员对 AgBiS 2纳米晶体的表面进行了额外的钝化处理。这种特殊的原位钝化策略延长了载流子的寿命并平衡了薄膜中的载流子传输，这也是提高太阳能电池效率的关键方面。
这些效应的结合是实现可持续太阳能电池前所未有的性能的完美秘诀，ICFO 研究人员在本研究中展示了这一性能。

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