开发突破性的钙钛矿太阳能电池

阿德里安博士（雷）施斯法谈到Azom关于一个突破性的佩罗夫斯基特太阳能电池，可以彻底改变行业并开辟新的应用。

您是如何开始研究佩洛夫斯基特太阳能电池的？

我通过我的博士学位将我的研究主题改为佩罗夫斯基特太阳能电池。因为我想对下一代太阳能电池的研究进行更有形的差异。佩洛夫斯基特太阳能电池当时是一个冉冉升起的明星，我们的学校刚刚建立了佩洛夫斯科特研究团队。他们需要有人调查从水分保护钙钛矿细胞的封装技术。经过两年的研究，我开始实现封装可以以非常非常规和有趣的方式用于佩洛夫斯。

什么是perovskite以及哪些属性使它如此革命？

Perovskite是指具有非常具体的原子排列的材料。它有一个abx_3.化学公式。对于典型的高效太阳能电池材料，A是有机阳离子(正离子分子)，B是金属(典型的铅)，X是卤素阴离子(负离子分子)。

它是制造能量转换效率超过25%的太阳能电池仅有的亚博网站下载三种材料之一。它是最简单的，可能是最便宜的准备，因为它更宽容的缺陷。

相比之下，太阳能电池级硅具有PPB缺陷浓度水平（百亿分），而Perovskite可以耐受百分比水平的缺陷。

Perovskite太阳能电池和传统硅的主要差异是什么？

硅具有低缺陷耐受性，使生产昂贵。高温（即，高能量成本）过程对于确保其纯度至关重要。

Perovskite太阳能电池通常在低于150℃的温度下制造，并且具有击败硅细胞的最小成本的可能性。它是一个薄膜太阳能电池，这意味着它仅需要数百个纳米厚的钙钛矿，以吸收大量的阳光作为硅，其通常为150-200微米厚。

硅电池也可以制成薄膜，但高缺陷水平使得效率非常低（〜10％）。低重量和柔性钙钛矿薄膜太阳能电池的应用比传统的硅晶片电池更多，例如飞机和航天器。低重量也有助于降低运输和安装成本。

虽然硅电池具有化学稳定性，但钙钛矿具有独特的有机/无机杂化结构，使其具有许多优点。然而，这也使得它非常不稳定，这是钙钛矿太阳能电池商业化的主要障碍。

Perovskite晶体比硅屑更快。为什么在商业太阳能电池方面如此有问题？

Perovskite的独特材料结构使其变得容易受到水分，热和光的环境压力 - 所有户外太阳能电池都必须忍受其生命。根本问题是包含钙钛矿（有机分子，金属原子和卤素）的不同分子之间的弱键合。材料可以通过环境压力剥离，导致钙钛矿材料的分解。

商用硅太阳能电池板的保证寿命为25年，而钙钛矿电池目前只能使用几个月或几年。

虽然钙钛矿太阳能电池的制造成本可以低于Si，但是考虑可以在整个太阳能电池板（也称为LCoE）的整个寿命中产生的电力，但Perovskite细胞与Si细胞没有竞争，如钙钛矿细胞的寿命要短得多。科学家正在努力匹配硅太阳能电池的一生，我们的工作表明它是可实现的。

太阳能电池需要通过哪些测试才能被认为适合商业使用?

所有户外太阳能电池板都需要通过一些标准测试，然后才能商业。IC61215：2016由国际电工委员会于2016年开发，是最广泛采用的标准之一。它涵盖了各种测试，包括额定功率，电气安全，机械耐用性，照明耐用性，耐用性和温度耐用性。

如果钙钛矿太阳能电池在商业上可用，这种测试是不可避免的。

在我们的工作中，我们使钙钛矿太阳能电池足够稳定，超过IEC61215:2016的耐湿和耐温测试要求。考虑到钙钛矿特殊的材料稳定性问题，可以设计新的附加测试。

图片信用：Thongsuk Atiwannakul / shutterstock.com

在你的研究中，你用什么涂层来覆盖钙钛矿，你是怎么做的?

Perovskite在环境压力下分解成气态产品。封装可以保护钙钛矿免受外部水分，还可以防止分解气体的逸出。一旦这些气体的压力在包封的细胞内部覆盖，分解反应达到平衡并有效地停止，因此钙钛矿变得稳定。

我们使用用玻璃堆叠的聚合物密封剂完全封装钙钛矿太阳能电池。我们尝试了两种类型的聚合物密封剂，PVS 101（基于聚异丁烯基密封剂）和基于聚烯烃的聚合物（目前确切的名称是机密的）。我们发现这两者都很好。这些密封剂设计用于承受硅太阳能电池板的湿气进入。在我们的工作中，他们阻止了水分进入以及分解气体的出口。

你如何使用GC-MS分离和表征钙钛矿晶体的降解?

使用封装来稳定Perovskite太阳能电池被广泛承认，但过去的研究并没有证明它有效。我们是第一个直接证明封装通过使用GC-MS（气相色谱和质谱）停止分解，这广泛用于生物化学和食品科学。亚博老虎机网登录

GC-MS可以识别和量化具有高度不曼比的气体。我们首先将钙钛矿样品在小瓶中密封，并在其最高工作温度下烘烤100小时。然后我们使用GC-MS来识别和量化小瓶内的气体。

GC-MS如何证明聚合物/玻璃涂层有效地保护钙钛矿晶体？

在分析这些气体之后，我们能够在不同温度下阐明Perovskite太阳能电池材料的分解途径，而不会因来自聚合物密封剂的除散而干扰。亚博网站下载

通过比较封装之前和之后的细胞分散量，通过X射线衍射和效率测量的交叉检查，我们可以判断封装是否停止分解。

这种突破如何降低光伏的成本？

这一突破表明钙钛矿太阳能电池在高湿度和高温条件下可以像硅太阳能电池一样稳定。它标志着钙钛矿太阳能电池寿命达到25-30年的里程碑，这对其LCOE(电力均等化成本)至关重要。

这项技术的商业化需要多长时间以及需要进行哪些阶段？

稳定性仍然是商业化的主要障碍。除此之外，其他障碍还在使用低成本的材料和工艺保持高效率，以及在大面积中均匀地制造太阳能电池。亚博网站下载

在实验室中，通常使用成本较高的有机空穴运输材料和金金属，而且细胞面积一般在几十厘米以下²。

已经有一些初创公司在小规模上制造佩罗夫斯基钛矿太阳能电池。公司旨在展示他们的技术和筹款。

牛津PV计划在2021年将商业竞争力的Perovskite-Silicon串联太阳能电池提供给高端用户。似乎LCoE仍然不足以与全系列硅太阳能电池竞争，这可能是由于相对较低的寿命。

如果实现商业化，这一发展将如何彻底改变太阳能电池行业？

硅电池的主要优点是，与硅不同，电池非常灵活，开启新应用。然而，最有希望的应用可能是将钙钛矿与硅组合形成堆叠的串联电池，其中钙钛矿电池转换蓝光和硅的红光，从相同尺寸的太阳能电池板产生高达40％的能量。

您如何尝试开发太阳能电池，以便在空间中使用，这些细胞必须能够承受哪些条件？

在太空中，细胞暴露于损坏地球通常保护它们的损伤辐射。在这里，佩洛斯基斯能够忍受由这种辐射引起的缺陷的能力可能是重要的。

你下一步的研究是什么?

我们目前正在研究工作条件下钙钛矿细胞的稳定性（在与负载的照明下）。我们特别感兴趣地解决钙钛矿细胞在组合热/灯应力下的低稳定性。我相信解决这个问题将使Perovskite太阳能电池真正稳定。

读者在哪里可以找到更多的信息?

这些工作的细节可以在我们最近发表在的研究制品中找到亚博老虎机网登录杂志：https://亚博老虎机网登录science.sciencemag.org/content/368/6497/eaba2412。它包括审查引言部分中的Perovskite太阳能电池稳定性发展。

关于石磊博士

石磊博士，澳大利亚新南威尔士大学光伏与可再生能源工程学院博士后研究员。他拥有电子工程背景，并获得光电工程博士学位。他在太阳能研究和教育方面有超过10年的经验。