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钙钛矿太阳能电池商业化获新突破

2018年05月15日 14:57 次阅读

【引言】

钙钛矿太阳能电池自从2009年首次报道以来已经取得了巨大进展。大部分溶液法制备的钙钛矿太阳能电池已认证的效率达到20%以上。然而几乎所有高效率的钙钛矿太阳能电池都是用旋涂法制备的,这种制备方法无法满足工业化的高吞吐量与规模化制备的要求。研究者研发了几种适用于规模化生产的钙钛矿薄膜制备方法,如:刮刀涂布法、喷雾沉积法、喷墨打印法和电沉积等。其中,由于刮刀涂布法的基底温度可控,因此在规模化制备高质量、大晶粒钙钛矿薄膜方法中脱颖而出。值得欣慰的是刮刀涂布法制备的钙钛矿太阳电池效率以及高达19%,已经十分接近旋涂法制备的器件。

商业化生产不仅要满足与规模化生产,还要满足制造成本低。但是现在钙钛矿太阳能电池都需要昂贵的空穴传输层来实现高效率,如spiro-OMeTAD等。此外,疏水性的空穴传输层的存在导致将钙钛矿薄膜很难刮涂上去。因此考虑将空穴传输层去掉不仅有利于降低材料成本,还有利于降低制造成本,节约时间。

然而在去掉空穴传输层后,钙钛矿薄膜与ITO的功函数不匹配导致空穴很难从钙钛矿传输至ITO层,因此导致器件效率低下。如何解决功函数匹配问题是制备无空穴层高效钙钛矿太阳能电池面临的巨大挑战。

【成果简介】

近日,北卡罗纳大学和内布拉斯加大学林肯分校的黄劲松教授在Nat. Commun.上发表了一篇题为“Molecular doping enabled scalable blading of efficient hole-transport-layer-free perovskite solar cells”的文章。该文章报道了一种分子掺杂策略成功的解决了钙钛矿与ITO的能带不匹配问题,实现了效率高达20%的无空穴传输层钙钛矿太阳能电池,此外该研究配合刮刀涂布法成功实现了高效太阳能电池的量产化。

【图文简介】

图1:刮刀涂布法和掺杂F4TCNQ分子的钙钛矿薄膜

钙钛矿太阳能电池商业化获新突破

(a). 刮刀涂布钙钛矿薄膜示意图和F4TCNQ掺杂剂的化学结构式;

(b). 基底为150摄氏度,刮涂在ITO上的钙钛矿薄膜的侧面SEM图;

(c-h).无掺杂钙钛矿薄膜的AFM图(c)和表面势垒图(f);F4TCNQ掺杂钙钛矿薄膜的AFM图(d)和表面势垒图g);将F4TCNQ颗粒洒在杂钙钛矿薄膜的AFM图(e)和表面势垒图(h);

(i). 不同钙钛矿膜表面电位分布;

(j). MAPbI3:F4TCNQ共混物能量图和电子转移过程示意图。

图2:纯钙钛矿薄膜和掺杂钙钛矿薄膜的电导率和光致发光寿命

钙钛矿太阳能电池商业化获新突破

(a). 钙钛矿薄膜横向电导率的测试模型;

(b). 掺杂与无掺杂钙钛矿薄膜的I-V曲线;

(c). 时间分辨光致发光曲线;

(d). 导电原子力显微镜测试方法;

(e-h). 无掺杂的钙钛矿薄膜的晶粒形貌AFM图(e)和在晶粒上与晶界上的C-V图(f);掺杂的钙钛矿薄膜的晶粒形貌AFM图(g)和在晶粒上与晶界上的C-V图(h)。

图3:钙钛矿薄膜形貌,器件结构与光伏性能

钙钛矿太阳能电池商业化获新突破

(a-b).掺杂钙钛矿薄膜的低分辨率与高分辨率SEM图;

(c). 无空穴层钙钛矿电池器件结构图;

(d). J-V曲线;

(e). 稳态电流和稳态PCE测试;

(f). EQE和积分电流;

(g). 器件效率的统计分布图。

图4:界面空穴转移机理

钙钛矿太阳能电池商业化获新突破

(a). 空穴在ITO/MAPbI3界面转移示意图;

(b). 空穴在ITO/F4TCNQ-MAPbI3界面转移示意图。

【小结】

该研究首先利用刮刀涂布法克服了大规模制备高质量钙钛矿薄膜难题,然后通过分子掺杂法解决了高效率无空穴传输层钙钛矿电池的难题。最后器件效率高达20%,并且几乎无迟滞效应。该研究为钙钛矿太阳能电池商业化带来了曙光。

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美国威斯康辛大学麦迪逊分校(UW-Madison)的研究人员打造出高性能的小规模侧向太阳能电池,可应...

发表于 2016-08-10 10:45 228次阅读
美研究员为可穿戴设备打造出侧向太阳能电池

如何用电子负载来测试电池的容量

 日常生活中经常会看到各种各样的电池,各种电池都有各自的容量,同一种电池,放电电流不同,放出来的容量...

发表于 2016-04-28 16:53 3538次阅读
如何用电子负载来测试电池的容量

武汉帝尔激光科技股份有限公司与帝人株式会社战略合...

  [2016年4月20日,东京、上海讯]武汉帝尔激光科技股份有限公司(总公司:中国武汉市,董事长:...

发表于 2016-04-21 13:33 338次阅读
武汉帝尔激光科技股份有限公司与帝人株式会社战略合...

MIT太阳能电池:轻到能放在肥皂泡上

MIT(麻省理工学院)的研究人员对于太阳能板似乎投入了很大的努力,致力于打造更小、更轻、更有效率的产...

发表于 2016-03-01 07:52 511次阅读
MIT太阳能电池:轻到能放在肥皂泡上

设计太阳能半导体照明系统的一些要点

太阳能半导体照明系统集成了半导体和太阳能资源的优势,有效提高了照明效率和绿色节能性,在实际应用中应加...

发表于 2016-02-26 14:12 348次阅读
设计太阳能半导体照明系统的一些要点

太阳能电池板故障如何解决

太阳能电池板在制造、运输、设置时以及因老化,会发生各种各样的故障。笔者将就检测这些故障的方法,介绍C...

发表于 2016-02-25 14:51 2981次阅读
太阳能电池板故障如何解决

新型电池技术盘点

一家总部位于以色列特拉维夫的起步公司StoreDot Ltd发布了一款充电器原型,能够将手机电池在3...

发表于 2016-02-19 09:20 2182次阅读
新型电池技术盘点

石墨烯电池引起热议:或是“炒作”?

尽管石墨烯的应用前景越来越被人看好,但“石墨烯电池”这一概念却逐渐成为业界争论的对象。

发表于 2016-02-17 10:36 1355次阅读
石墨烯电池引起热议:或是“炒作”?

石墨烯将成制造太阳能电池理想候选者

150多年前,自铅酸电池问世以来,关于革新电池技术的大胆观点就一直存在。

发表于 2016-02-02 08:09 1835次阅读
石墨烯将成制造太阳能电池理想候选者

探析晶硅光伏电池漏电的原因

本文描述了晶体硅太阳能电池片局部漏电现象,分析了晶体硅硅片及电池生产过程中可能产生的漏电原因及预防措...

发表于 2016-01-29 11:12 2304次阅读
探析晶硅光伏电池漏电的原因

另类光伏电池黑科技满满,让人脑洞大开

在未来,全球的能源需求都可被太阳能这单一来源所满足,然而要实现这一点却绝非易事。科学家们制造出了脑洞...

发表于 2016-01-22 11:34 1093次阅读
另类光伏电池黑科技满满,让人脑洞大开

MIT用旧汽车电池制作太阳能电池

近日,麻省理工学院宣布,他们的研究人员已经找到了一种利用废弃的汽车电池来自制作太阳能电池的方法,不仅...

发表于 2016-01-18 08:25 1088次阅读
MIT用旧汽车电池制作太阳能电池

你不知道的钝化接触太阳能电池

晶硅太阳能电池的表面钝化一直是设计和优化的重中之重。从早期的仅有背电场钝化,到正面氮化硅钝化,再到背...

发表于 2016-01-11 09:53 2423次阅读
你不知道的钝化接触太阳能电池

纳米太阳能电池将为光伏产业带来革命性的变化

马里兰大学电气和计算机工程系助理教授杰瑞米 芒迪和研究生Yunlu Xu 以及Tao Gong设计...

发表于 2015-09-13 14:36 473次阅读
纳米太阳能电池将为光伏产业带来革命性的变化

微米级“耙子”可让太阳能电池转换率倍增

利用一个微小的耙子,可能提高塑料太阳能电池的转换效率。

发表于 2015-09-07 09:12 346次阅读
微米级“耙子”可让太阳能电池转换率倍增

电子芯闻早报:英特尔并购Altera之后

台积电刚刚公布了7月份的营收数据,高达809.5亿元新台币,环比增长35%,同比增长24.7%,创下...

发表于 2015-08-12 10:33 450次阅读
电子芯闻早报:英特尔并购Altera之后

解决可穿戴设备续航问题,妙招知多少

可穿戴设备现在已经成为了一种非常热门的科技产品,但是对于这类产品的续航问题,也成为了许多科学家及厂商...

发表于 2015-01-30 10:29 1047次阅读
解决可穿戴设备续航问题,妙招知多少

改善太阳能电池效率 利用蓝光光盘最新奇

蓝光光盘可以被重新利用做成压模来增加太阳能电池的效率。本周《自然—通讯》在线发表的一项研究利用了蓝光...

发表于 2014-11-26 11:16 1107次阅读
改善太阳能电池效率 利用蓝光光盘最新奇

新突破!新型纳米结构使太阳能电池效率暴增32%

三校合作,麻省阿默斯特大学、斯坦福大学、德雷斯顿大学共同研发出一种新型纳米结构,能够让有机太阳能的效...

发表于 2014-10-23 15:40 689次阅读
新突破!新型纳米结构使太阳能电池效率暴增32%

电源技术大餐,新型太阳能电池成为焦点

俄亥俄州立大学研究人员最近发明了一款太阳能电池,这款产品可以通过光和氧气充电,并在在太阳能的接收效率...

发表于 2014-10-10 14:50 851次阅读
电源技术大餐,新型太阳能电池成为焦点

无需充电!可穿戴设备能量收集技术解析

想的未来中,可穿戴设备将可以通过光线、热量或是振动来获取能量。这听起来像科幻小说,但可以收集能量的可...

发表于 2014-09-18 08:56 564次阅读
无需充电!可穿戴设备能量收集技术解析

备受科学界关注的四种可穿戴能量采集技术

对可穿戴设备来说,最大的问题之一就是如何在不把设备做得太大的同时保证足够长的续航时间。

发表于 2014-09-09 09:51 436次阅读
备受科学界关注的四种可穿戴能量采集技术