新型鈣鈦礦太陽能電池：轉換效率創新世界紀錄！

導讀

最近，韓國蔚山國立科技研究所開發出一種製造無機-有機混合鈣鈦礦太陽能電池的低成本方案，它創造了轉換效率的新世界記錄：22.1%。

關鍵字

鈣鈦礦、太陽能、電池

背景

太陽能作為一種清潔、可再生、無污染的能源，引起了產業界和科學界的廣泛興趣，現在全世界各國都在大力發展太陽能技術。然而對於太陽能電池來說，能量轉換效率較低，一直是制約其進一步發展和應用的關鍵瓶頸。

之前，筆者也在《太陽能電池：複製玫瑰花瓣表皮細胞 提高能量轉化效率》和《超低損耗量子能量運輸可以革新太陽光能量轉換》兩篇文章中，也都介紹過一些提高能量轉化效率的方案。

創新

最近，韓國蔚山國立科技研究所（UNIST）的一項研究，發明了一種製造無機-有機混合物鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的新型低成本方案。它創造了新的世界記錄：轉換效率在小型電池中達22.1%，在1平方厘米的電池中達19.7%。

（圖片來源：UNIST）

UNIST 能源和化學工程專業的傑出教授 Sang-Il Seok 與韓國化學技術研究所的教授 Jun Hong Noh，以及韓國漢陽大學的教授 Eun Kyu Kim 一起合作進行了這項研究，他們也都是研究論文的合著者。該研究成果於6月30日在線發表在《自然》雜誌上。

技術

這項技術的關鍵在於，它能夠修復「鈣鈦礦-鹵化物」中的主要缺陷，這些缺陷會降低光電轉換效率。研究論文展示了通過管理具有缺陷的鹵素陰離子，仔細控制鈣鈦礦層的生長條件，對於實現基於「鉛-鹵化物-鈣鈦礦」吸收器的高效PSC薄膜，起到了至關重要的作用。

（圖片來源：UNIST）

鈣鈦礦是一種獨特的晶體結構，由甲脒和多個陽離子以及混合鹵化物陰離子組成。鈣鈦礦太陽能電池（PSC）是太陽能電池的一種，它採用鈣鈦礦結構的化合物，即最普遍的有機-無機鉛的混合物或者基於錫鹵化物的材料，作為採集光線的活性層。

因為在高效率太陽能電池和發光方面的應用，"有機-無機混合物PSC"引起了廣泛的科研興趣。實際上，這些太陽能電池不僅具有相對較高的光電轉換效率（超過22%），而且還可以使用廉價的無機-有機鈣鈦礦化學物，簡便地製造。

在基底上形成一層緻密且均勻的薄層，對於製造高性能的PSC來說十分關鍵。缺陷狀態的濃度需要儘可能的低，因為它降低了開路電壓和短路電流密度，從而降低了電池的性能。

（圖片來源：UNIST）

在該研究中，研究團隊在有機陽離子溶液中添加碘離子，從而降低深度缺陷的濃度。通過一種分子內的交換過程，這種有機陽離子溶液可形成鈣鈦礦層。研究結果顯示，經過缺陷設計的鈣鈦礦層製造出的PSC，能量效率在小型電池中可達22.1%，在1平方厘米的電池中可達19.7%。

價值

Seok 教授說：

「這項研究能夠將目前關於鈣鈦礦太陽能電池的效率的世界記錄從20.1% 提升到 22.1%。這將加速低成本、高性能的鈣鈦礦太陽能電池的商業化。」

這些PSC的缺陷減少後，能量轉換效率可達22.1%。這一點已經得到韓國國家可再生能源實驗室（NREL）證實。

Seok 教授說：

「製造高性能太陽能電池的關鍵是降低材料中的缺陷，這些缺陷使得在將太陽光轉換為電力時，產生能量損耗。我們的研究提出了一種新方案，能夠抑制深度缺陷的形成，這樣能夠為PSC創造一個新的效率記錄。」

參考資料

【1】http://news.unist.ac.kr/unist-hits-new-world-efficiency-record-with-perovskite-solar-cells/

【2】Woon Seok Yang, et al., 「Iodide management in formamidinium-lead-halide–based perovskite layers for efficient solar cells,」 Science, (2017).

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