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中科院宁波材料所科学家:要让新型太阳能电池更高效稳定

发布时间: 2018-07-19 16:51:35 来源: 浙江在线 记者 曾杨希 通讯员 宣晓冬 胡军勇

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方俊锋 资料图

  浙江在线7月19日讯(浙江在线记者 曾杨希 通讯员 宣晓冬 胡军勇)为了解决日益严重的能源和环境问题,人们把目光投向了清洁可再生太阳能的开发和利用上。近年来,有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池的能量转化效率不断攀升,应用前景良好,吸引了众多科研工作者的关注。和常见的晶硅类太阳能电池相比,他们具有成本低、制备工艺简单等特点,在应用上还具有柔性、轻薄、便携等优势,但是,效率和稳定性却是它们的不足之处。

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方俊锋团队制备的钙钛矿太阳能电池 资料图

  如何解决这个问题?在浙江省自然科学基金“杰出青年项目”的支持下,通过三年多的研究,中科院宁波材料所研究员方俊锋博士提出了一个解决方案,采用廉价的有机类材料作为界面修饰材料,在提高电池器件效率的同时,可显著提高其稳定性。

  想象一块太阳能电池板,其构成由金属电极、界面层、吸光层等层面组成。一般而言,界面层位于吸光层和金属电极之间,对太阳能电池的效率和稳定性具有十分重要的作用。

  在提升有机太阳能电池性能的研究中,在界面层材料的选择上,方俊锋采用了一种名为乙二胺四乙酸(EDTA)衍生物的材料,代替常用的复杂界面材料。方俊锋说:“这是一种在分析化学中常用的廉价试剂,结果表明,它的使用可让器件性能同样优异,而且稳定性也大为提升。”

  在钙钛矿太阳能电池的研究中,方俊锋主要从在空穴/电子传输材料着手,提升电池效率与稳定性。

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钛矿太阳能电池的光电转换原理 示意图

  要了解读懂这份研究成果,首先要了解钙钛矿太阳能电池的光电转换原理。

  钙钛矿太阳能电池由导电电极、钙钛矿吸光层、电荷(电子和空穴)传输层组成。当太阳光入射到电池吸光层后随即被吸收,光子的能量将原来束缚在原子核周围的电子激发。由于物质整体上必须保持电中性,电子被激发后就会同时产生一个额外的带正电的对应物,物理学上将其叫做空穴。这样的一个“电子--空穴对”就是科学家们常说的“激子”。

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激子产生 示意图

  激子被分离成电子与空穴后,分别流向电池的阴极和阳极。带负电的电子经过电子传输层到阴极。带正电的空穴经空穴传输层,最终到达阳极。在外电路负载的情况下,电子和空穴复合形成回路,完成电能输运。

  传统的晶硅太阳能电池光电转换效率大约介于23%至25%之间。在研究中,方俊锋团队采用一种有机材料——具有羧基极性基团的聚噻吩衍生物(P3CT)作为空穴传输层,可实现16%以上的光伏转换效率。方俊锋说:“在研究中,我们发现极性羧基的引入让钙钛矿溶液在空穴传输层上更容易铺展,通过抗衡离子调控使得空穴传输层界面薄膜更加均匀,效率可从16%进一步提高到19%以上。”  

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基于P3CT这种空穴传输层的器件 示意图

  方俊锋说:“基于P3CT这种空穴传输层的器件,我们进一步实现了水氧、热、全光谱光照且持续负载等条件下,器件稳定性的大幅提升。这也证明了有机类材料可在电极界面及晶体界面发挥的巨大作用。”

  就有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池而言,从实验室到实际应用,还有一段较长的路要走。但通过科研人员的不断努力,无论是有机电池还是钙钛矿太阳能电池,未来都将更加光明。方俊锋说:“由于轻薄、柔性、可折叠等特点,它们可以贴在玻璃上,安装在汽车车顶,甚至能做成窗帘,在日常生活中还可以为便携式电子设备提供户外充电。一旦其高效率下的稳定性问题得到解决,未来将对社会产生巨大的影响。我们会沿着这条路继续走下去。”

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