你不知道的柔性钙钛矿太阳能电池技术_太阳能电池_中国百科网
你不知道的柔性钙钛矿太阳能电池技术
     　　：对于理想的光伏器件，其应当具有光电转换效率高、制造成本低、质量轻、寿命长等特点。以有机铅卤化物钙钛矿作为光吸收材料的太阳能电池，虽然具有较高的能量转换效率（约20%），且可以通过低成本、操作简单的溶液法制备获得，但由于其在自然环境下的连续工作稳定性较差，使其距离大规模商业化生产尚有一定距离。　　此外，随着近年来可穿戴和柔性电子器件等概念的流行，轻质量、柔性光电器件也逐渐引起了人们的重视。本文即报道了一种新型的高柔性钙钛矿太阳能电池，其具有高达12%的连续工作能量转换效率和高达23W/g的比功率。同时，本文还通过在电池结构中引入&氧化铬/铬&层的方法，显著提高了电池在自然环境下的稳定性。　　电池制备　　实验中制备得到的薄膜电池结构示意图与实物图分别如下面两图所示。　　电池制备的全部过程均在玻璃载片上进行。电池制备前，预先在玻璃载片上旋涂一层聚二甲基硅氧烷（PDMS），作为后续电池制备的支撑物。电池选用高分子材料聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）作为衬底，由于其和PDMS之间仅靠范德瓦尔斯力结合，因此在电池制备结束后，可以将电池和玻璃载片轻松地分开。在PET衬底上，通过旋涂含聚乙撑二氧噻吩（PEDOT）、聚苯乙烯磺酸（PSS）、二甲亚砜（DMSO）和表面活性剂的溶液，再经过低温退火、洗涤和干燥过程，最终得到用于空穴收集与传导的PEDOT：PSS层。 之后，通过一步法进行钙钛矿制备。在PEDOT：PSS层上旋涂含氯化铅（PbCl2）、碘化铅（PbI2）和甲胺碘（CH3NH3I）的二甲基甲酰胺（DMF）溶液，低温退火后即可得到钙钛矿层。样品采用两种不同的材料制备电子传导层&&N，N'-二甲基-3，4，9，10-二萘嵌苯四甲酸二酰亚胺（PTCDI）或[6，6]-苯基C61丁酸甲酯（PCBM）。如果采用PTCDI作为电子传导层，其需要在真空腔中通过真空升华法制备得到；如果采用PCBM作为电子传导层，则直接在钙钛矿层上旋涂含PCBM的氯苯、氯仿1：1混合溶剂溶液即可。电子传导层制备结束后，使用蒸镀法，将金属铬缓慢蒸镀至电子传导层表面，得到约10nm厚的氧化铬/铬混合层。 最后，在氧化铬/铬层之上，沉积一层金、铜、铝、或类似的高电导率金属，完成薄膜电池制备过程，形成图1所示的电池结构。在制备好的薄膜电池表面，可以通过喷洒商用聚氨酯（PU）喷涂剂，并静置约24h，形成一层PU包覆层，以防止薄膜电池受到机械损伤。　　此外，作为对照组，实验中还制备了以玻璃/氧化铟锡（ITO）为衬底的钙钛矿电池。　　高质量钙钛矿层制备　　本文中，为了制备得到具有高柔性的钙钛矿电池，选用了柔性有机材料PET作为电池衬底。相比于传统玻璃衬底，PET衬底的粗糙度更高，从原子力显微镜扫描结果中可以明显看到这一点。 　　因此，如何在粗糙衬底上得到均一、连续、无针孔的高质量钙钛矿层，就成为了制备高性能钙钛矿电池需要解决的关键问题。文中研究发现，通过在PEDOT：PSS旋涂液中添加DMSO，可以极大地减少在PEDOT：PSS层表面形成的钙钛矿层中的针孔数量，提高钙钛矿层质量。进一步实验发现，通过在PEDOT：PSS旋涂液中添加体积比在5%~10%的DMSO溶液，即可获得大面积无针孔的钙钛矿层。　　&氧化铬/铬&层制备与功能　　本文中，在电子传导层和高电导率金属层之间额外蒸镀了一层铬，实验发现，该操作能显著提高电池的稳定性和连续工作性能。　　在电池制备过程中，金属铬被缓慢蒸镀至电子传导层表面。虽然该操作在真空下完成（约10-6mbar），但由于真空腔内并非惰性气体环境，因而仍有少量氧分子存在。因此，最终在电子传导层表面形成的并非纯金属铬层，而是&氧化铬（Cr2O3）/铬&混合层。该结果可以通过X射线光电子能谱测量加以确认。　　对于传统的无&氧化铬/铬&层的钙钛矿电池，一旦钙钛矿材料在潮湿空气中分解，由于分解过程会释放出碘化氢（HI），而HI对金、铜等金属均有腐蚀作用，因此，钙钛矿分解后会进一步破坏金属电极，进而降低金属电极对钙钛矿材料的保护作用，加速钙钛矿分解过程。 所以，传统钙钛矿电池在潮湿空气中的稳定性很差。而对于具有&氧化铬-铬&层的钙钛矿电池，由于氧化铬具有很好的化学稳定性，对强酸、弱酸、强碱、弱碱、腐蚀性气体等均有很强的耐受能力，故可以抵抗钙钛矿分解产物对高导电性金属的腐蚀作用。因此，&氧化铬/铬&层可以减缓甚至阻断传统钙钛矿电池的退化过程，极大地提高电池的稳定性。下面的实验结果清晰地展示了这一点。　　电池性能测试　　对制备得到的薄膜电池和对照电池（玻璃/ITO衬底电池）在标准模拟太阳光照射下进行性能测试，测试结果如下图所示，薄膜电池和对照电池具有相似的开路电压（Voc~930mV）和短路电流（Jsc~17.5mA/cm2），但对照电池的填充因子（FF~80%）要略高于薄膜电池（~76%），导致对照电池的能量转换效率（~12.5%）略高于薄膜电池（~12%）。 　　但是，由于薄膜电池没有玻璃衬底，使得其总质量很小，因此得到了高达23W/g的比功率（有PU包覆层）。同时，长时间测试表明，含有&氧化铬-铬&层的电池可以在最高功率点连续工作1000s而没有显著性能下降。　　连续工作10h仍保持初始性能的80%以上，连续工作一周后仍不失效。　　电池柔性测试　　由于采用了有机材料衬底，因此，制备得到的薄膜电池具有很好的柔性。文章中，采用了如下方法进行测试：先将薄膜电池转移至拉伸状态下的弹性体上，然后释放弹性体，借助弹性体的形态恢复过程，在薄膜电池上形成褶皱，达到测试电池柔性的目的。文章分别测试了薄膜电池的一维压缩性能和二维压缩性能。 　　实验表明，在一维压缩情况下，薄膜电池能承受高达50%的面积压缩率，且在压缩过程中，电池的V-oc和FF值并无明显下降，但是由于电池褶皱导致其受光照的面积下降，导致Jsc（红色圆圈）值随之下降，但是下降速率要慢于电池受光照面积的下降速率。在二维压缩情况下，实验得到了相似的结果。　　文章中，还对薄膜电池进行了反复压缩实验。实验时，对薄膜电池进行一维压缩，最大面积压缩率为25%，进行多次&无压缩-压缩25%-无压缩&循环，数次循环后采集一次电池性能参数，可以得到如图13所示的实验结果。　　实验发现，在经过100次完整循环后，电池仍保持着初始状态70%以上的性能。值得注意的是，在最初的10次循环过程中，电池性能不但没有下降，反而有小幅上升。　　结语　　本文通过优化钙钛矿材料制备方法，在有机材料PET衬底上得到了高质量的钙钛矿材料，在使得电池具有很好的柔性的同时，得到了高达12%的能量转换效率，进而获得了高达23W/g的比功率。此外，由于在电池结构中引入了&氧化铬/铬&保护层，减缓了钙钛矿材料的退化过程和金属接触层的腐蚀过程，使得电池可以在无封装的条件下在自然环境中连续工作长达一周以上。
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钙钛矿太阳能电池是什么啊？
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新型钙钛矿型太阳能电池(Perovskite-Based Solar Cells)性材料机铅碘化合物甲胺铅碘形具钙钛矿结构晶体
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世界最高效大面积钙钛矿太阳能电池是什么？｜2015中国科技新星评选
2015年是中国学术圈群星璀璨、捷报频传的一年：既有屠呦呦荣获本土第一个诺贝尔科学奖的惊艳，又有王贻芳大亚湾中微子振荡摘取基础物理突破大奖的欣喜；既有施一公解析剪接体三维结构所带来的期许，也有古脊椎动物与古人类研究所湖南道县发现47枚8至12万年人类牙齿化石所给予的启迪。更让人振奋的是，在2015年，中国学术圈也涌现出一大批杰出的青年科学家，像一颗颗耀眼的新星，冉冉升起，做出令人炫目的成绩：既有大面积钙钛矿的世界纪录，也有硫化氢高温超导体的准确预测，既有人类胚胎基因编辑的首次成功，也有外尔费米子的开创性发现，高水平的科研成果呈井喷之状。为促进青年学者的交流、合作、创新与进步，并推动科学技术的宣传、普及、传播与转化，我们在征求各领域专家学者意见的基础上，从2015年做出突出成绩、有高显示度科研成果的青年才俊中，遴选出30位具有代表性的科技新星，作为“2015年中国十大新锐科技人物”候选人，并陆续介绍他们的卓越成就。首先，让我们来领略陈炜教授的科技成果——国际最高效率大面积钙钛矿太阳能电池。华中科技大学武汉光电国家实验室陈炜副教授在访问日本国立物质与材料研究院（NIMS）期间，在钙钛矿薄膜太阳能电池研究领域取得重要进展。基于P-i-N反式平面结构、通过优化界面工程，全面解决了钙钛矿太阳能电池高效率、迟滞现象、器件稳定性、大面积器件均匀性和一致性等重要问题，首次在国际权威太阳能电池认证机构——“日本产业技术综合研究所(AIST) ”认证成功大面积 (&1 cm2)钙钛矿太阳能电池国际最高效率(15%)，首次将大面积钙钛矿太阳能电池写进权威太阳能效率记录表《Solar cell efficiencytables (Version 46)》。这一最新成果的相关论文已于2015年11月在 Science 上线发表，论文通讯作者为NIMS韩礼元教授和瑞士联邦理工学院Michael Gratzel教授。太阳能取之不尽、用之不绝，规模化利用清洁、可再生的太阳能对于优化能源消费结构、减少环境污染和全球温室效应的意义十分重大。现在已经市场化的光伏技术包括第一代晶体硅太阳能电池、第二代CIGS、CdTe薄膜太阳能电池，尽管每年以30%的速度高速成长，但其总装机发电量仍不足全球总能耗的1%。寻找新一代更廉价、更高效的光伏技术是太阳能利用的一个永恒命题，关系到未来太阳能在多大程度上取代化石能源。钙钛矿太阳能电池是最近3年才出现的光伏技术，其效率记录提升的速度十分迅猛。目前韩国KRICT报道的钙钛矿太阳能电池效率达到20.1%，远远超过其他类型的新概念太阳能电池，几乎与发展数十年的CIGS等薄膜太阳能电池相当，而且将来仍会有很大的提升空间。见美国可再生能源实验室（NREL）编纂的最新效率记录表（图1）。图1. 历年来各类型太阳能电池效率记录（NREL编纂）此外，卤化物钙钛矿材料AMX3（A = CH3NH3+,NH2-CH=NH2+，Cs+等; M = Pb2+,Sn2+，Ge2+，Co2+，Fe2+，Mn2+，Cu2+，Ni2+，Bi3+等; X = Cl-,Br-, I-等）具有原料丰富、成本低廉、光电性质优越、可溶液加工、可低温制备（&150℃）等特点和优势，使得钙钛矿太阳能电池的制造成本有望达到目前晶体硅太阳能电池的1/3-1/5。显著的效率和成本优势有望推动钙钛矿太阳能电池在未来跨过商业化门槛，分享乃至颠覆未来的光伏市场。但是，尽管前景乐观，仍有几朵乌云笼罩在钙钛矿太阳能电池真正走向商业化的路途上。正如美国可再生能源实验室光伏认证中心负责人Keith Emery博士和澳大利亚新南威尔士大学Martin Green教授今年年初发表公开评论所说：（1）钙钛矿太阳能电池普遍存在稳定性问题，很多电池在测试的过程中就发生了衰变，因此很多文献报道的钙钛矿电池高效率都无法通过第三方认证，其真实性都值得怀疑；（2）钙钛矿太阳能电池普遍存在迟滞现象，即IV测试正反扫测得的结果存在明显的不一致。很多论文仅报道其中一种扫描方式得到的可能是高估的实验结果。Keith Emery和Martin Green领导着国际上最权威的太阳能电池认证中心，他们对钙钛矿太阳能电池的负面意见表明原先的钙钛矿可能存在严重缺陷，这也可能是为什么迄今为止，除了Newport公司认证的小面积（&0.1cm2）钙钛矿太阳能电池得到了认证数据外，其他国际权威认证中心在钙钛矿电池方向集体失声的原因。据了解，日本AIST（5家国际权威认证中心之一）检测过多家研究单位送检的钙钛矿太阳能电池，验证得到的器件性能与基于实验室所得数据的预期值相差较大。这也是为什么在我们于AIST认证成功大面积（&1cm2）钙钛矿电池15%效率之前，权威的《Solar Cell Efficiency Tables》中钙钛矿太阳能电池处于空缺状态的原因。我们通过测试数万条IV曲线，在比较了几种最常见的钙钛矿太阳能电池结构以后，发现P-i-N反式平面结构电池更容易消除迟滞效应。电池结构如图2所示。我们通过实施成功的界面工程，以稳定、高导电、能带调控的重掺杂型无机界面材料在电极附近分别抽取电子和空穴，并在大面积范围内控制消除界面缺陷。这样做的结果是：（1）该电池表现出迄今为止各类钙钛矿太阳能电池中最佳的填充因子达0.83，开路电压接近1.1V，小面积（0.09 cm2）电池的效率提升到18.3%，大面积（1.02 cm2）电池的效率达到16.2%；（2）无论是小电池还是大电池，其IV测试的迟滞效应都非常小，并且多批次数十个电池都表现出很好的工艺可重现性和器件性能的高度一致性（图3）；（3）器件表现出迄今为止各类型钙钛矿太阳能电池有报道以来最好的稳定性，1000小时持续光照老化前后的性能衰减&10%。PCBM的疏水性质和无机界面层的化学稳定性对钙钛矿层起到了保护作用。我们这种反式结构设计排除了其他由不稳定界面材料带来的干扰，将钙钛矿太阳能电池性能衰变的原因都集中到钙钛矿材料本身，可以在最大程度上真实反映钙钛矿太阳能电池的稳定性到底如何。意外的是，初步加速老化的测试结果几乎是令人满意的，多块电池样品老化前后的效率衰减均不到10%（图4）。图2. 基于重掺杂无机界面层的反式P-i-N平面结构钙钛矿太阳能电池结构示意图图3. （a）取决于扫描条件的电池迟滞效应和（b）统计40块不同批次（小面积）电池性能的均一性和正反扫差异图4. 一批次10块大面积（1.02 cm2）电池1000小时连续光照老化测试结果（测试光强：100mW/cm2，环境温度：25℃，短路情况连续电流输出）（a）归一化效率衰减&10%，（b）效率绝对值衰减统计图如图3-4所描述，通过简单改变扫描条件即可消除迟滞效应、以及良好的稳定性是保证我们的大面积电池在日本AIST这种坚持最严格测试标准的认证机构取得认证成功的重要原因（图5）。我们的结果被号称“太阳能电池之父”的Martin Green教授接受，并首次写入由他联合NREL、AIST等权威部门编纂的《Solar cell efficiency tables, (version 46)》，见图6的“Table I”；这与之前韩国KRICT在Newport认证的小面积电池结果不同，他们的结果在Table III，被归类为“Notable exceptions”和“not class records”，主要原因在于面积过小容易引起较大测量误差。关于严格测试的重要性在最近连续几篇Nature子刊的评论文章中可以读到。我们大面积钙钛矿电池认证成功，使得钙钛矿太阳能电池的性能指标首次能够与其他类型太阳能电池在同一个标准下进行比较。并且，通过1cm2的器件可以估计更大面积电池模组的理论最大性能，因为更大面积的模组通常是由宽度为1cm2左右的长条状电池串并联组成，两者来自导电玻璃的电阻损耗相当。此外，基于我们的测试结果，AIST将与全球其他权威认证机构探讨建立新型钙钛矿太阳能电池的检测标准，相信以后会有更多钙钛矿太阳能电池的认证结果出自NREL、AIST等权威机构。图5. 日本AIST认证结果，电池面积1.017cm2图6. 认证结果为《Solar cell efficiency tables,(version 46)》收录最后，我们认为，通过进一步改进钙钛矿薄膜质量和组分（例如以NH2-CH=NH2+离子取代CH3NH3+离子），大面积钙钛矿太阳能电池的效率记录可以很快推进到20%的水平。而关于稳定性则需要做更多更深入的研究工作，目前的器件仍存在一定程度的衰减（尽管衰减较小），除了所使用钙钛矿材料CH3NH3PbI3自身可能的分解外，可能与封装强度也有关。通过成分调控将CH3NH3PbI3钙钛矿材料的结晶温度（反之也是晶体退化温度）从目前的70-80℃提升到100-120℃以上，并采用更可靠的封装方式避免湿气的缓慢渗透，将有可能得到寿命足够长的电池器件。陈炜副教授已经获得风险投资意向，开始钙钛矿太阳能电池的中试研发，企业的介入将加快推动具有实用价值的新型光伏器件的诞生。写在后面：陈炜教授的研究成果令人振奋，其他位科技新星的故事也同样精彩，敬请期待！同时，我们将面向大众，开放公众投票，即日起至日结束，每人请投票10人左右，得票排名前十的候选人获选2015年中国十大新锐科技人物。整个流程公开透明，杜绝黑箱操作。我们也将举办后续活动，帮助获奖者及候选人对接产业与资本。参与投票的朋友也将有机会抽取丰厚的礼品。进入知社学术圈进行投票：。
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