科学家开发了一种新方法来制造稳定、高效的下一代太阳能电池

诸平

Fig. 1 An international research team, including Penn State faculty Nelson Dzade, reported a new method for creating more durable solar cells that still achieve high efficiency for converting sunlight to electricity.  Credit: Nelson Dzade

Fig. 2 An illustration of a new two-step technique to create stable and efficient next generation solar cells. Credit: Nelson Dzade

据美国宾夕法尼亚州立大学(Pennsylvania State University, University Park, PA, USA)2023年10月28日提供的消息，科学家开发了一种新方法来制造稳定、高效的下一代太阳能电池(Scientists develop new method to create stable, efficient next-gen solar cells)。

与传统的硅太阳能电池相比，下一代太阳能材料的生产成本更低，也更可持续，但要使这种设备耐用到足以承受现实环境的考验，还存在一些障碍。一个国际科学家团队开发的一项新技术可以简化高效稳定的钙钛矿太阳能电池（perovskite solar cells）的开发，钙钛矿太阳能电池因其独特的晶体结构而得名，该结构擅长吸收可见光。

包括韩国、中国、印度以及美国宾夕法尼亚州立大学教授尼尔逊·扎德（Nelson Y. Dzade）在内的科学家们，2023年7月31日在《自然能源》（Nature Energy）杂志上报道了他们制造更耐用的钙钛矿太阳能电池（perovskite solar cells）的新方法，这种电池将阳光转化为电能的效率（high efficiency）仍然高达21.59%。详见Sawanta S. Mali, Jyoti V. Patil, Jiang-Yang Shao, Yu-Wu Zhong, Sachin R. Rondiya, Nelson Y. Dzade, Chang Kook Hong. Phase-heterojunction all-inorganic perovskite solar cells surpassing 21.5% efficiency. Nature Energy, 2023, 8: 989–1001. DOI: 10.1038/s41560-023-01310-y. Published: 31 July 2023. https://www.nature.com/articles/s41560-023-01310-y

参与此项研究的有来自韩国光州的全南国立大学（Chonnam National University, Gwangju, South Korea）、中国科学院化学研究所（Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China）、印度科学研究所材料工程部（Department of Materials Engineering, Indian Institute of Science简称IISc, Bengaluru, India）、以及美国宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University, University Park, PA, USA）的研究人员。

钙钛矿太阳能电池是一种很有前途的太阳能技术，因为这种电池可以在室温下制造，比传统的硅材料使用更少的能量，使它们更便宜，更可持续地生产，根据美国宾夕法尼亚州立大学约翰和威利莱昂家族能源和矿物工程系 (John and Willie Leone Family Department of Energy and Mineral Engineering of Pennsylvania State University)的能源和矿物工程助理教授、该研究的合著者尼尔逊·扎德说。

然而，科学家们说，用于制造这些器件的主要候选材料，即杂化的有机-无机金属卤化物（hybrid organic-inorganic metal halides），含有易受水分、氧气和热量影响的有机成分，暴露在现实环境中会导致性能迅速下降。

一种解决方案是转而使用全无机钙钛矿材料，如碘化铯铅（cesium lead iodide, CsPbI₃），这种材料具有良好的电性能和对环境因素的优越耐受性。然而，这种材料是多晶的，这意味着它具有不同晶体结构的多相。科学家们说，其中两种光活性相对太阳能电池是有益的，但它们在室温（room temperature）下很容易转化为不受欢迎的非光活性相（non-photoactive phase），这会引入缺陷并降低太阳能电池的效率。

科学家们说，他们将碘化铯铅(CsPbI₃)的两种光活性多晶相结合，形成了一种相异质结（phase-heterojunction），可以抑制向不希望的相的转变。异质结是通过堆叠不同的半导体材料形成的，就像太阳能电池中的层一样，具有不同的光电特性。太阳能装置中的这些连接点可以定制，以帮助从太阳吸收更多的能量，并更有效地将光能转化为电能。

尼尔逊·扎德说：“这项工作的美妙之处在于，它表明利用同一材料的两种多晶型来制造相异质结太阳能电池是可行的。它提高了材料的稳定性，并防止了两相之间的相互转化。在两相之间形成的共格界面（coherent interface）允许电子轻松地流过器件，从而提高了功率转换效率。这就是我们在这项成果中所展示的。”

研究人员制造了一种装置，实现了21.59%的功率转换效率，是同类方法中最高的，并且具有出色的稳定性。尼尔逊·扎德说，在环境条件下储存200小时后，这些设备仍然能保持90%以上的初始效率。“当从实验室到现实世界的太阳能电池模块进行缩放时，我们的设计在太阳能电池面积超过7平方英寸(相当于18.08 cm²)的情况下,显示出18.43%的功率转换效率(power conversion efficiency)。这些初步结果突出了我们开发超大型钙钛矿太阳能电池模块和可靠评估其稳定性的方法的潜力。”

尼尔逊·扎德在原子尺度上对异质结的结构和电子特性进行了建模，发现将两个光活性相结合在一起可以产生稳定和相干的界面结构（stable and coherent interface structure），从而促进有效的电荷分离和转移所需的特性，进而实现高效率的太阳能器件。

尼尔逊·扎德在韩国全南大学的同事们开发了独特的双沉积方法，用于制造该设备，其中一个阶段使用热空气技术沉积，另一个阶段使用三源热蒸发技术沉积。该论文的第一作者、韩国全南大学研究教授萨瓦塔·马里(Sawanta S. Mali)说，在沉积过程中加入少量分子和有机添加剂，进一步改善了该装置的电性能、效率和稳定性。

“我们相信，我们在这项工作中开发的双重沉积技术将对制造高效稳定的钙钛矿太阳能电池（perovskite solar cells）具有重要意义，”尼尔逊·扎德说。他是约翰和威利·莱昂内家族能源和矿物工程系（John and Willie Leone Family Department of Energy and Mineral Engineering）的能源和矿物工程助理教授，也是这项研究的合著者。

研究人员表示，双重沉积技术可以为开发基于所有无机钙钛矿或其他卤化物钙钛矿成分的额外太阳能电池铺平道路。

研究人员说，除了将该技术扩展到不同的组成，未来的工作将包括使当前的相异质结电池在现实条件（real-world conditions）下更耐用，并将其缩放到传统太阳能电池板的大小。尼尔逊·扎德说：“通过这种方法，我们相信在不久的将来，这种材料的效率应该有可能超过25%。一旦我们做到了这一点，商业化就为期不远了。”

本研究得到了韩国国家研究基金(National Research Foundation of Korea: 2020R1A2C2004880)、韩国教育科学技术部（Ministry of Education, Science and Technology）国家研究基金(National Research Foundation简称NRF)优先研究中心计划（Priority Research Centers Program：2018R1A6A1A03024334）；中国北京市自然科学基金(Natural Science Foundation of Beijing Municipality: 2191003)的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Researchers fabricate phase-heterojunction all-inorganic perovskite solar cells with an efficiency above 21.5%

Abstract

Making organic–inorganic metal halide-based multijunction perovskite solar cells either by solution processes or physical techniques is not straightforward. Here we propose and developed dimethylammonium iodide-assisted β−CsPbI₃ and guanidinium iodide-assisted γ−CsPbI₃ all-inorganic phase-heterojunction solar cells (PHSs) by integrating hot-air and triple-source thermal evaporation deposition techniques, respectively. Incorporating a (Zn(C₆F₅)₂) molecular additive and dopant-free hole transport layer produces a 21.59% power conversion efficiency (PCE). The laboratory-to-module scale shows 18.43% PCE with an 18.08 cm² active area. We demonstrate that this additive-assisted β−γ-based PHS structure exhibited >200 hours of stable performance under maximum power tracking under one sun illumination. This work paves the way towards dual deposition techniques for PHS with important consequences not only for all inorganic but also for other halide perovskite compositions.