天目Tech刷新效率纪录中国科学家让反型钙钛矿太阳能电池更高效稳定

　　光电性能优异、成本低、制备工艺简单……近年来，具备诸多优势的钙钛矿太阳能电池备受科学家瞩目，堪称＂光伏新星＂。不过，受效率和稳定性的制约，其商业化发展一直面临瓶颈。
　　近日，华东师范大学的方俊锋团队和中科院宁波材料所的李晓冬团队合作，首次实现转化效率大于24%的反型钙钛矿电池，刷新了反型钙钛矿电池效率的世界纪录。相关研究已发表在《科学》上。
　　钙钛矿型太阳能电池是一种利用钙钛矿型半导体作为吸光材料的太阳能电池。它通常由透明导电电极、空穴和电子传输层、钙钛矿吸光层以及金属电极组成。
　　钙钛矿太阳能电池的构造与运行机理示意图
　　在接受太阳光照射时，钙钛矿吸光层会吸收光子，激发束缚在原子核周围的电子。由于物质整体上必须保持电中性，电子被激发的同时，会产生一个带正电的对应物——物理学上将其叫做空穴。这个＂电子--空穴对＂就是科学家们常说的＂激子＂。
　　在室温下，激子分离成自由电子与空穴后，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。
　　钙钛矿电池工作原理示意图
　　按照结构差异，钙钛矿电池又可以分为正型N-I-P电池和反型P-I-N电池两类。前者的结构一般是透明导电电极、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、金属电极。后者则是基于正型钙钛矿的N-I-P结构，将电子传输层与空穴传输层对调，结构顺序为透明导电电极、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层、金属电极。
　　在科学家夜以继日的攻坚克难下，正型钙钛矿电池的光电转化效率频频刷新世界纪录。截至目前，其世界最高纪录已达到25.5%。与之相比，反型钙钛矿电池似乎稍显逊色，此前最高效率维持在22%至23%。
　　然而，正型钙钛矿电池容易受光照、温度等的影响，产生结构缺陷，进而导致光电转换效率显著降低。
　　反型钙钛矿电池则不然，它在光照下的稳定性更好，还能和常见的晶硅类太阳能电池兼容。这意味着反型钙钛矿电池可实现叠层电池的制备，即将多个电池结合在一起制成电池，可输出高电压，更具商业化发展潜力。
　　因而，提升反型钙钛矿电池的转化效率，降低发电成本，可加速其商业化进程。这也是该领域研究人员一直关注的焦点问题。
　　一般而言，提升钙钛矿型太阳能电池性能的关键在于其界面层。它位于吸光层和金属电极之间，其性质对太阳能电池的稳定性和效率至关重要。
　　反型钙钛矿电池
　　经过反复实验论证，方俊锋团队提出了一种将钙钛矿薄膜的表面硫化处理的策略。这不仅能有效抑制电池老化过程中钙钛矿的衰减，还可以在电流传输过程中，抑制电子和空穴的复合，进而提升光电转化效率。
　　基于此方法，研究人员首次将反型钙钛矿电池的转化效率提高到24%以上。在50 至60 的连续照明下，这款反型钙钛矿电池运行1000小时后，其光电转化效率仍然稳定在初始值的90%以上。
　　除了转化效率，该方法还大幅提升了电池稳定性。在85 的高温条件下，这款电池运行2200小时后，其效率还能保持在初始值的91.8%。
　　正如《科学》的审稿人所说：（该研究）突破了反型器件效率低，这一长期困扰钙钛矿电池发展的瓶颈问题，为钙钛矿电池研究开辟了新的思路与方向。