粉末工程可以提高钙钛矿的稳定性

冲绳研究所的科学家将注意力转向钙钛矿太阳能电池吸收层

在发表在《纳米能源》杂志上的一项新研究中，冲绳科技研究生院 (OIST) 由 Yabing Qi 领导的能源材料和表面科学部门的研究人员证明，使用一种新方法来创造一种钙钛矿所需的原材料可能是基于钙钛矿的太阳能电池成功的关键。

“钙钛矿中有一种必要的结晶粉末，称为  FAPbI₃，它形成钙钛矿的吸收层，”主要作者之一，该单位的博士后学者Guoqing Tong,解释说。 “以前，这一层是通过结合两种材料——PbI₂和 FAI 制造的。发生的反应会产生  FAPbI₃。但这种方法远非完美。通常会有一种或两种原始材料的残留物，这会影响太阳能电池的效率。”

为了解决这个问题，研究人员使用更精确的粉末工程方法合成了结晶粉末。他们仍然使用一种原材料——PbI₂——但也包括额外的步骤，其中包括将混合物加热到 90 摄氏度，并小心地溶解和过滤掉任何残留物。这确保了所得粉末的高质量和结构完美。

这种方法的另一个好处是钙钛矿的稳定性在不同温度下增加。当钙钛矿的吸收层由原始反应形成时，它在高温下是稳定的。然而，在室温下，它从棕色变成黄色，这对吸收光线来说并不理想。即使在室温下合成的版本也是棕色的。

过去，研究人员创造了一种基于钙钛矿的太阳能电池，其效率超过 25%，可与硅基太阳能电池相媲美。但是，要将这些新的太阳能电池转移到实验室之外，就必须在尺寸和长期稳定性方面进行升级。

“实验室规模的太阳能电池很小，” Qi说。 “每个电池的尺寸只有大约 0.1 平方厘米。大多数研究人员关注这些，因为它们更容易制造。但是，在应用方面，我们需要更大的太阳能组件。太阳能电池的寿命也是我们需要注意的问题。虽然之​​前已经实现了 25% 的效率，但寿命最多只有几千小时。此后，电池的效率开始下降。”

使用合成的结晶钙钛矿粉末，Tong 与研究部门技术员 Dae-Yong Son 和 Qi 所在小组的其他科学家一起，在他们的太阳能电池中实现了超过 23% 的转换效率，但寿命超过了 2000 小时。当他们放大到 5x5cm² 的太阳能组件时，他们仍然实现了超过 14% 的效率。作为概念验证，他们制造了一种使用钙钛矿太阳能模块为锂离子电池充电的器件。

这些结果代表了朝着高效和稳定的基于钙钛矿的太阳能电池和组件迈出的关键一步，这些电池和组件有朝一日可以在实验室外使用。 “我们的下一步是制造一个 15x15cm² 且效率超过 15% 的太阳能模块，”Tong 说。 “我希望有一天我们可以用我们的太阳能组件为 OIST 的一栋建筑供电。”

参考资料

'Removal of residual compositions by powder engineering for high efficiency formamidinium-based perovskite solar cells with operation lifetime over 2000 h' by GuoqingTong et al; Nano Energy 13 May 2021.