爱荷华州的工程师在他们的研究实验室制造了这种概念证明钙钛矿太阳能电池。信贷:Harshavardhan Gaonkar
钙钛矿具有晶体结构和良好的光电性能，有望成为制造下一代低成本、高效、轻量化和柔性太阳能电池的有效成分。
爱荷华州立大学安森·马斯顿杰出工程学教授、托马斯·惠特尼电气与计算机工程学教授、爱荷华州立大学微电子研究中心主任维克拉姆·达拉尔说，目前这一代硅太阳能电池的一个问题是它们将太阳能转化为电能的效率相对较低。
实验室中最好的硅太阳能电池的效率约为26%，而商用电池的效率约为15%。这意味着需要更大的系统来生产一定数量的电力，而更大的系统意味着更高的成本。
这促使研究人员寻找提高效率和降低成本的新方法。一种可以将效率提高50%的想法是将两种电池堆叠在一起，每一种电池使用不同的、互补的太阳能光谱来发电。
钙钛矿承诺,问题
研究人员最近开始将有机-无机杂化钙钛矿材料作为硅电池的良好串联伙伴。钙钛矿的效率接近25%，具有互补带隙，可以非常薄(只有百万分之一米)，并且可以很容易地沉积在硅上。
但达拉尔说，研究人员已经了解到，这些混合钙钛矿太阳能电池在高温下会分解。
当你试图把太阳能电池板放置在阳光充足的地方时，问题就来了——比如美国西南部、澳大利亚、中东和印度等炎热、干燥的沙漠地区。这些地方的环境温度可以达到120到130华氏度，太阳能电池的温度可以达到200华氏度。
在美国国家科学基金会(National Science Foundation)部分支持的一个项目中，爱荷华州立大学(Iowa State University)的工程师们发现了一种利用钙钛矿的有用特性，同时在高温下稳定电池的方法。他们在科学杂志《美国化学学会应用能源材料》(American Chemical Society Applied Energy Materials)最近在线发表的一篇论文中描述了他们的发现。
该论文的第一作者Harshavardhan Gaonkar说:“这些都是追求钙钛矿太阳能电池材料商业化和更清洁、更环保的未来的有希望的结果。”他最近在爱荷华州立大学获得了电气和计算机工程博士学位，现在在爱达荷州博伊西工作，是ON Semiconductor的一名工程师。
调整材料
该论文的通讯作者达拉尔表示，新的太阳能电池技术有两个关键的发展:
首先，他说工程师们对钙钛矿材料的组成做了一些调整。
他们去掉了材料中的有机成分——特别是阳离子，带有额外质子和正电荷的材料——取而代之的是无机材料，如铯。这使得这种材料在更高的温度下保持稳定。
其次，他们开发了一种制造技术，可以一次制造出一层薄薄的钙钛矿材料——只有十亿分之一米。这种气相沉积技术是一致的，没有留下污染物，并且已经在其他工业中使用，因此它可以扩大商业生产规模。
这些变化的结果是什么?
“我们的钙钛矿太阳能电池显示，即使在200摄氏度(390华氏度)超过三天的温度下也没有热降解，这远远超过了太阳能电池在现实环境中必须承受的温度，”Gaonkar说。
然后Dalal做了一些比较和对比:“这比有机-无机钙钛矿细胞要好得多，它们在这种温度下会完全分解。所以这是该领域的一个重大进步。”
提高性能
本文报道了新型无机钙钛矿太阳能电池的光电转换效率为11.8%。这意味着工程师们还有更多的工作要做。
达拉尔说:“我们现在正在努力优化这种电池——我们想让它更有效地将太阳能转化为电能。”“我们还有很多研究要做，但我们认为我们可以通过使用新的材料组合来实现这一点。”
例如，工程师们用溴取代了钙钛矿材料中常见的碘。这使得电池对水分的敏感性大大降低，解决了标准混合钙钛矿的另一个问题。但是，这种替代改变了电池的性质，降低了效率，降低了它们与硅电池协同工作的效果。
因此，调整和试验将继续进行。
随着研究的深入，工程师们相信他们已经走上了一条成熟的道路:“这项研究证明了无机钙钛矿材料和太阳能电池在更高的温度和更长的时间内比其他地方报道的更稳定的热稳定性，”他们在论文中写道。“这些都是追求钙钛矿太阳能电池材料商业化的有前景的结果。”
参考文献:“热稳定、高效、气相沉积无机钙钛矿太阳能电池”，作者Harshavardhan Gaonkar, Junhao Zhu, Ranjith Kottokkaran, Behrang Bhageri Max Noack和Vikram Dalal, 2020年3月23日，ACS应用能源材料。DOI: 10.1021 / acsaem.0c00010
除了Vikram Dalal和Harshavardhan Gaonkar，研究团队还包括副科学家Max Noack;助理科学家Ranjith kotokkaran;Junhao Zhu和Behrang Bagheri，研究生。
