保护涂层显着延长钙钛矿太阳能电池的寿命

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西北大学的科学家开发出一种新型保护涂层，大大延长了钙钛矿太阳能电池的寿命，使其更适合在实验室外的应用。
尽管钙钛矿太阳能电池比传统的硅太阳能电池效率更高、成本更低，但钙钛矿迄今为止一直受到缺乏长期稳定性的限制。通常，钙钛矿太阳能电池使用基于铵的涂层来提高效率。虽然有效，但基于铵的涂层在环境压力（例如热量和水分）下会降解。
如今，西北大学的研究人员已经开发出一种基于脒基的更为坚固的层。
在实验中，与传统的铵基涂层相比，新涂层的抗分解能力提高了 10 倍。更棒的是，涂有脒基的电池还使电池的 T 90寿命延长了三倍——T 90 是指在恶劣条件下，电池效率下降到初始值的 90% 所需的时间。
该研究发表在《科学》杂志上。
“该领域长期以来一直在研究钙钛矿太阳能电池的稳定性，”西北大学的陈斌说，他是这项研究的共同负责人。“到目前为止，大多数报告都侧重于提高钙钛矿材料本身的稳定性，而忽略了保护层。通过改进保护层，我们能够提高太阳能电池的整体性能。”
“这项研究解决了广泛采用钙钛矿太阳能电池的关键障碍之一——现实条件下的稳定性，”西北大学的 Mercouri Kanatzidis 说道，他是这项研究的共同负责人。“通过化学增强保护层，我们显著提高了这些电池的耐用性，同时又不损害其卓越的效率，使我们更接近于一种实用、低成本的硅基光伏替代品。”
陈是西北大学温伯格文理学院化学研究副教授。他与温伯格林恩·霍普顿·戴维斯和格雷格·戴维斯化学教授、麦考密克工程学院电气和计算机工程教授特德·萨金特以及温伯格查尔斯·E 和艾玛·H·莫里森化学教授卡纳其迪斯共同领导了这项研究。萨金特和卡纳其迪斯共同指导的博士后研究员杨毅是该论文的第一作者。
钙钛矿作为硅的替代品
几十年来，硅一直是太阳能电池中吸光层最常用的材料。虽然硅经久耐用、性能可靠，但生产成本高昂，而且效率已接近极限。为了寻找成本更低、效率更高的太阳能电池，研究人员最近开始探索钙钛矿，这是一种晶体化合物。
尽管钙钛矿有望成为一种经济高效的硅替代品，但它的寿命相对较短。长时间暴露在阳光下、极端温度波动、潮湿和潮湿都会导致钙钛矿太阳能电池随着时间的推移而退化。
为了克服这一挑战，研究人员添加了脒基配体，这是一种稳定的分子，可以与钙钛矿相互作用，提供持久的缺陷钝化和保护效果。基于铵的分子有一个氮原子，周围有三个氢原子和一个含碳基团，而基于脒基的分子由一个与两个氨基结合的中心碳原子组成。由于它们的结构允许电子均匀分布，因此脒基分子在恶劣条件下更具弹性。
杨说：“最先进的钙钛矿太阳能电池通常使用铵配体作为钝化层。但铵在热应力下容易分解。我们进行了一些化学反应，将不稳定的铵转化为更稳定的脒。”
研究人员通过一种称为脒化的过程进行这种转化，其中铵基团被更稳定的脒基取代。这一创新可防止钙钛矿电池随着时间的推移而分解——尤其是在暴露于极端高温时。
创纪录的成绩
最终的太阳能电池效率达到了惊人的 26.3%，这意味着它成功地将 26.3% 的吸收阳光转化为电能。经过 1,100 小时的严苛测试后，涂层太阳能电池仍能保持其初始效率的 90%，暴露在热和光下时，T 90寿命比以前长三倍。
这些实验是萨金特实验室改进钙钛矿太阳能电池性能的最新例子。2022 年，萨金特团队开发了一种钙钛矿太阳能电池，打破了能源效率和电压的记录。2023 年，他的团队推出了一种具有倒置结构的钙钛矿太阳能电池，这也提高了其能源效率。今年早些时候，萨金特团队加入了液晶，以最大限度地减少钙钛矿薄膜中的缺陷，从而提高了器件性能。
“一旦我们完成设计、实现性能和耐用性的统一并扩大设备规模，钙钛矿太阳能电池就有潜力为电力供应的脱碳做出贡献，”保拉·特里恩斯可持续发展与能源研究所所长萨金特说。“钙钛矿太阳能电池商业化的主要障碍是其长期稳定性。但由于硅在几十年内处于领先地位，它在某些方面仍然具有优势，包括稳定性。我们正在努力缩小这一差距。”
这项研究与“生成”支柱直接相关，这是 Trienens 研究所脱碳六大支柱之一。作为“生成”支柱的一部分，西北大学致力于通过专注于高效多结太阳能电池和下一代太阳能电池材料来打造一种新型太阳能生产。Kanatzidis 是该支柱的教师联席主席，而 Chen 是实施负责人。