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改進型鈣鈦礦光電池可降低能量損失

俄羅斯國立研究型技術大學（MISIS）科研人員使用氧化鎳納米粒子和結構開發(fā)出一種新型光電池，可為物聯(lián)網(wǎng)無線設備,、健身跟蹤器,、智能手表和耳機提供能量。相關研究結果近日發(fā)表在國際期刊《太陽能材料及電池 》上,。

近年來,，物聯(lián)網(wǎng)無線設備和傳感器市場發(fā)展迅速，而為這些設備提供能源的是低功耗和功率約為1微瓦的自主能源,，微小的鈣鈦礦光電池是其中的一種解決方案,，即使在室內(nèi)燈光下充電也能保證能量儲備。鈣鈦礦光電池的效率約為25%,，與半導體相當,，但更容易制造。而鈣鈦礦是一種礦物,，具有假立方晶體結構和一些獨特的特性,，廣泛用于能源領域。

鈣鈦礦光電池對光強度要求低，但它們有一些缺點——生產(chǎn)成本高,、能量損失大和持續(xù)運行期間最大功率會降低,。MISIS未來太陽能實驗室的科研人員使用氧化鎳納米粒子和結構，開發(fā)出一種新的平面光電池,，簡化了生產(chǎn)技術,，降低了能量損失。

未來太陽能實驗室研究員塔季揚娜·克瑪利切娃稱,，平面光電池如同三明治,，由轉移負電荷的半導體、鈣鈦礦和轉移正電荷的半導體三層組成,，改換導體類型,，使用氧化鎳轉移正電荷，在光照度為400勒克司（即標準室內(nèi)照明）時,，其功率密度可達每平方厘米28.4微瓦,，這是硅光電池功率密度的2.5倍。

科學家創(chuàng)造世界紀錄,，突破大面積鈣鈦礦電池21.6%光電轉化率

目前,，中國的電力市場主要是火力發(fā)電和水力發(fā)電，光伏發(fā)電比例正在逐年增加,。鈣鈦礦太陽能電池會成為未來的主流嗎,？如果鈣鈦礦太陽能電池能真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，那么,，從成本上來說,，光伏發(fā)電將有可能更加便宜。

鈣鈦礦較低的成本是它最大的競爭力,，并且含有豐富的碳,、氫、氮,、碘,、鉛等化學元素，曾被專業(yè)人士認定是太陽能電池領域最有發(fā)展?jié)摿Φ牟牧�,。在此基礎上,，如何更加穩(wěn)定、高效成為鈣鈦礦太陽能電池研究的熱門方向,。

澳大利亞國立大學（ANU）博士后彭軍在Science發(fā)表了題為《用聚合物鈍化鈣鈦礦太陽能電池,，納米級局部接觸實現(xiàn)高填充因子》（Nanoscale localized contacts for high fill factors in polymer-passivated perovskite solar cells）的論文。

論文表示,，其在太陽能轉化為電能方面取得了21.6%的效率,，這是針對1平方厘米以上面積鈣鈦礦太陽能電池的新世界紀錄,。這意味著，這種鈣鈦礦電池在陽光照射下,，每平方米可以產(chǎn)生216瓦的電能,。

太陽能電池性能得到提升！科學家成功制造鈣鈦礦/硅雙層單片電池

硅太陽能電池板可以將光能轉化為電能,，常規(guī)串聯(lián)太陽能電池可以通過吸收額外波長的光轉化為電能,，且相較于前者更加有效。不僅如此,，研究人員已經(jīng)意識到,，使用雙面串聯(lián)配置，即利用傳統(tǒng)硅基層和鈣鈦礦制成的另一層“串聯(lián)”組合的新系統(tǒng),，可以搜集到更多的能量,，還可以捕獲許多原本浪費的、從地面反射和散射的光（稱為“反照率”）來顯著增加串聯(lián)太陽能電池的電流,。

2021年1月11日,，國際合作組織（包括阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）和U.T工程學院的研究人員）在《自然能源》雜志上發(fā)表了一篇名為《基于帶隙工程的高效鈣鈦礦/硅雙層單片太陽能電池》（Efficient bifacial monolithic perovskite/silicon tandem solar cells via bandgap engineering）的論文。論文概述了該團隊設計鈣鈦礦/硅設備,，并超過目前公認的串聯(lián)配置性能極限的全部過程,。

這項研究得出了雙面單片鈣鈦礦/硅串列太陽能電池利用環(huán)境中的漫反射光反照率，使其性能優(yōu)于單面鈣鈦礦/硅串列太陽能電池的結論,。該研究團隊首先報告了在單面AM1.5G陽光的照射下,，經(jīng)認證的功率轉換效率大于25%的雙面串聯(lián)在戶外測試下,，其發(fā)電密度高達26mWcm-2的結果,。

《自然》子刊：研究人員開發(fā)了一種可重復制造高效鈣鈦礦太陽能電池的通用方法

來自德累斯頓工業(yè)大學應用物理研究所(IAP)和德累斯頓電子發(fā)展中心(cfaed)的研究人員開發(fā)了一種可重復制造高效鈣鈦礦太陽能電池的通用方法。他們的研究已經(jīng)發(fā)表在《自然通訊》雜志上,。

鈣鈦礦是19世紀初首次報道的一類材料,，2009年被“重新發(fā)現(xiàn)”，作為一種可能用于太陽能電池發(fā)電的材料,。從那時起,，它們就席卷了光伏研究界，以前所未有的速度達到了新的效率記錄,。這種改進速度如此之快,，以至于到2021年，僅僅經(jīng)過10年多的研究,，它們就已經(jīng)實現(xiàn)了與傳統(tǒng)硅器件類似的性能,。讓鈣鈦礦特別有前途的是它們的生成方式。硅基器件很重,，需要在高溫下制造,，而鈣鈦礦器件則很輕,，成型時只需要最小的能量投入。正是這種高性能和簡易制造的結合,，激發(fā)了研究界的熱情,。

來自Yana Vaynzof教授的新興電子技術小組的研究人員發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦薄膜形成過程中的基本過程強烈地影響了光伏器件的再現(xiàn)性,。當從溶液中沉積鈣鈦礦層時,，反溶劑滴到鈣鈦礦溶液上以觸發(fā)其結晶�,！拔覀儼l(fā)現(xiàn),，鈣鈦礦與抗溶劑的接觸時間對最終器件性能有顯著影響，直到現(xiàn)在,，這個變量在研究界都沒有被注意到,。” 這項研究的第一作者Alexander Taylor博士說,，“這與某些抗溶劑至少可以部分溶解鈣鈦礦層的前體,，從而改變其最終組成有關。此外,，抗溶劑與鈣鈦礦溶液溶劑的互溶性影響了它們觸發(fā)結晶的效果,。”

重磅,！鈣鈦礦不再“怕濕度”,，光電轉化效率達到24.1%！

相比于傳統(tǒng)的單晶硅電池,，鈣鈦礦光伏材料因輕薄,、低廉、環(huán)保,、可柔性等優(yōu)勢,，成為研究熱點。在傳統(tǒng)認識上,，鈣鈦礦光伏材料怕水,、怕空氣，尤其是以甲脒基鈣鈦礦為代表的鈣鈦礦光伏材料非�,！懊舾小�,，容易老化、功能衰減,，因此,，需要在惰性氣體的保護下才能制備。同時,，在現(xiàn)有認知范圍內(nèi),，只有不超過5種溶劑能被應用到鈣鈦礦材料中,，如此多的“痛點”讓鈣鈦礦的擴大應用舉步維艱。

3月26日,，國際頂級期刊《科學》發(fā)表一項重要研究,，中國科學院院士黃維、南京工業(yè)大學先進材料研究院陳永華教授團隊開創(chuàng)性地提出以一種多功能的“離子液體”作為溶劑,，來替代傳統(tǒng)有機溶劑制備鈣鈦礦光伏材料,，實現(xiàn)了黑相甲脒鉛碘鈣鈦礦在室溫、高濕度環(huán)境下的穩(wěn)定性,，解決了傳統(tǒng)鈣鈦礦光伏材料制備過程中的世界性難題,。

鄭大《CEJ》：首次提出一種在室溫合成鈣鈦礦納米晶的策略

CsPbI3鈣鈦礦相NCs因其全無機成分的高熱穩(wěn)定性而受到發(fā)光二極管（LEDs），太陽能電池和光電探測器（PDs）的廣泛關注,。然而,，由于熱不平衡誘導的亞穩(wěn)態(tài)（黑色）向穩(wěn)定的（黃色）相變，在室溫下合成CsPbI3鈣鈦礦相NCs仍然是一個主要的挑戰(zhàn),。

在此,，鄭州大學宋繼中教授團隊首次提出了一種在非極性溶劑中于室溫下合成γ-相CsPbI3鈣鈦礦型NCs的配體介導策略。作者發(fā)現(xiàn),，引入4-十二烷基苯甲磺酸（DBSA）配體可以防止CsPbI3從γ相變?yōu)棣南�,，這歸因于強大的鍵合和空間位阻，抑制了角共享八面體的變形,。合成后的CsPbI3鈣鈦礦型NCs很好地分散在有機溶劑中,，這些有機溶劑可以用作油墨來構造溶液加工的光電器件的活性層（PDs的開/關比為200，LEDs的外部量子效率（EQE）接近6％）,。通過成功合成有效的紅綠藍CsPbX3 NCs（紅光,，綠光和藍光LED的EQE分別為8.6％，14.7％和3.4％）證明了所提出的方法具有優(yōu)越的通用性,。結果表明,，室溫合成可以避免傳統(tǒng)高溫熱注入法的繁瑣，可廣泛應用于各種光電器件,。相關論文以題為“Room-temperature synthesis of perovskite-phase CsPbI3 nanocrystals for optoelectronics via a ligand-mediated strategy”發(fā)表在Chemical Engineering Journal期刊上。

鈣鈦礦太陽電池研究新發(fā)現(xiàn)：人類頭發(fā)可提升效率,、改善電池性能

澳大利亞的科學家們利用布里斯班一家理發(fā)店理下的人類頭發(fā)制造了一種 "盔甲",，提高了鈣鈦礦太陽能電池的功率轉換效率。

昆士蘭科技大學的研究人員利用頭發(fā)制造出了“碳點”——一種小于10納米的納米顆粒,，形成了波浪狀的鈣鈦礦層,，鈣鈦礦晶體被碳點包在其中。

據(jù)首席研究員 Hongxia Wang教授介紹,，這一過程可以保護鈣鈦礦材料免受水分或其他環(huán)境因素的影響,。"它創(chuàng)造了一個保護層,，類似一種盔甲。"

（圖片來源：網(wǎng)絡）

中科院成功研制出高通量,、大面積柔性甲脒基鈣鈦礦薄膜

據(jù)中國科學報報道：中科院大連化學物理研究所研究員劉生忠團隊與陜西師范大學副研究員馮江山團隊合作,，在大面積鈣鈦礦太陽電池研究方面取得新進展。他們采用真空沉積法并結合低溫退火策略,，制備了400平方厘米剛性和300平方厘米柔性高質量甲脒基鈣鈦礦薄膜,，并將此薄膜運用到蒸發(fā)甲脒基鈣鈦礦太陽電池上，獲得了文獻可查蒸發(fā)鈣鈦礦太陽電池的最高轉換效率,。

（圖片來源：網(wǎng)絡）

該研究中,，采取真空交替沉積技術并結合低真空低溫退火策略，有效調(diào)控鈣鈦礦薄膜的形核和晶粒生長,，在400平方厘米剛性和300平方厘米柔性基底上實現(xiàn)大尺寸,、高致密、高質量CsxFA1—xPbI3薄膜制備,，結合Spiro—OmetaD空穴傳輸層制備的鈣鈦礦太陽電池,，轉換效率達21.32%，是文獻可查的真空法制備鈣鈦礦太陽電池的最高轉換效率,。

此外,，合作團隊還結合真空法制備的空穴傳輸層，實現(xiàn)了全真空法制備鈣鈦礦太陽電池,，轉換效率達18.89%,，未封裝鈣鈦礦太陽電池可在空氣環(huán)境下暗態(tài)保存189天，效率提升1%,，展示了全真空法制備鈣鈦礦太陽電池具有較高的穩(wěn)定性,。

資訊來源：科技日報、DeepTech深科技,、前瞻網(wǎng),、全國能源信息平臺、太陽能發(fā)電網(wǎng),、PV-Tech,、材料科學與工程等。

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）

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