钙钛矿电池是什么意思

钙钛矿太阳能电池(PSC)是一种类型的太阳能电池,其包括钙钛矿结构的化合物,最常用的是杂化有机-无机铅或锡卤化物类材料,作为捕光有源层。

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钙钛矿材料,如甲基铵卤化铅和全无机卤化铯铯,生产便宜且易于制造。

使用这些材料的设备的太阳能电池效率从2009年的3。8%提高到2020年的25。5%,在单结架构中,在硅基串联电池中达到29。1%,超过了单结硅太阳能电池实现的电池效率。因此,钙钛矿太阳能电池是目前发展最快的太阳能技术。

钙钛矿型太阳能电池具有实现更高效率和极低生产成本的潜力,已成为商业上的吸引力。

什么是钙钛矿电池

你好,这是一种太阳能电池,这种电池比较耐用。

钙钛矿电池的定义:

钙钛矿型太阳能电池,是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池,属于第三代太阳能电池,也称作新概念太阳能电池。

钙钛矿电池的工作原理

在接受太阳光照射时,钙钛矿层首先吸收光子产生电子-空穴对。由于钙钛矿材激子束缚能的异,这些载流子或者成为自由载流子,或者形成激子。而且,因为这些钙钛矿材料往往具有较低的载流子复合几率和较高的载流子迁移率,所以载流子的扩散距离和寿命较长。

然后,这些未复合的电子和空穴分别被电子传输层和空穴传输层收集,即电子从钙钛矿层传输到等电子传输层,被FTO收集。空穴从钙钛矿层传输到空穴传输层,被金属电极收集。

当然,这些过程中总不免伴随着一些使载流子的损失,如电子传输层的电子与钙钛矿层空穴的可逆复合、电子传输层的电子与空穴传输层的空穴的复合、钙钛矿层的电子与空穴传输层的空穴的复合。要提高电池的整体性能,这些载流子的损失应该降到。

新好材料钙钛矿,改造太阳能电池

随着现代科技的发展,人类对能源的需求也逐渐增加,因此科学家一直努力寻找著合适的替代能源。其中最受瞩目的能源之一,莫过于取之不尽、用之不竭的太阳能,因此科学家也一直想研发出理想的太阳能电池,能够把太阳的能量尽可能的转化为电能,并且长时间储存起来。

一直以来,太阳能电池的材料都以最常使用的半导体材料——矽晶为主,然而自 2009 年开始,一种特殊的有机金属卤化物材料「钙钛矿」引起了科学家的注意。「钙钛矿」原本是指钙与钛的氧化物 CaTiO3(结构可表示为 ABX3),因为有机金属卤化物的结构与钙钛矿 ABX3 同类型,所以统称为钙钛矿(见图 1)。太阳能电池用的钙钛矿,吸收光的效率很高,吸收光子后,可以很快地分离成电子与电洞,传送到电极而产生电流。这样的高效率让科学家想到,何不用钙钛矿来制作太阳能电池呢?

图 1、钙钛矿晶体结构示意图。用做太阳能电池的钙钛矿通常为有机金属卤化物。(林唯芳、王彦锜)

大学材料科学与工程学系林唯芳的研究领域一直以高分子材料为主,也研究过以有机材料来制作太阳能电池。钙钛矿的出现,很快就吸引了林唯芳的眼球。「钙钛矿这种材料简直不得了。」谈起钙钛矿,林唯芳透露著兴奋的心情,因为和传统的矽晶相比,以钙钛矿制作太阳能电池的制程简单太多了!

制作太阳能电池,竟和刷油漆一样简单

首先,以矽晶做为材料时,为了减低晶格里的缺陷数量,必须经过约 900℃ 的高温长时间处理,然后再以半导体高真空高温制程制作成二极体太阳能电池,工序繁琐严苛。但钙钛矿太阳能电池是以溶液涂布薄膜的形式来制作,所以不需这么高温,也不需要真空环境,只要在一般环境里就可以制作。

钙钛矿太阳能电池的结构如图 2,在制造时,每一层都只需要简单的涂布,再以线快速烘干长晶[注1]即可,烘干需要的时间甚至不到一分钟。林唯芳形容:「整个过程就像刷油漆一样简单。」而因为钙钛矿太阳能电池的制作就像刷油漆一样,因此比起矽晶,钙钛矿更容易做出大面积的太阳能电池,甚至是涂布在各种基材上,做出可挠曲、各种色彩的太阳能电池,应用更加广泛。

图2、钙钛矿太阳能电池结构示意图。(林唯芳、王彦锜)

不过林唯芳也说,目前钙钛矿和矽晶相比,使用寿命短了许多,矽晶太阳能电池一般认为具有 30 年左右的寿命,但钙钛矿的结构大约只能维持 10 年。这是因为钙钛矿的晶体结构中,ABX3 各成分之间只是单纯的彼此堆叠及配位键[注2] ,并非以共价键结合,键结不够强的情况下,容易受到破坏。林唯芳的团队也尝试着用加入不同离子的方式,增加钙钛矿的稳定度,延长使用寿命。

钙钛矿与矽晶的合作无间

林唯芳强调:「我们对太阳能电池的期许,除了大面积、长寿命外,更重要的是高转换效率。」这几年来,在林唯芳团队及全世界科学家的努力下,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经追上矽晶太阳能电池,约在 20-25% 左右。不过,钙钛矿和矽晶并不是对立的角色,包括林唯芳在内的许多科学家,都正在尝试让这两种材料「合作」——他们将钙钛矿与矽晶叠起来,达到更高的光电转换效率!

钙钛矿与矽晶的比较表。(何庭劭绘)

这是因为钙钛矿能吸收转换的光波段和矽晶不同,钙钛矿主要吸收较高能量的短波波段,矽晶则以较低能量的长波波段为主,所以若让太阳光先后穿透钙钛矿太阳能电池与矽晶太阳能电池,就能更的利用太阳光里各种不同波段的光。

在叠层的做法上,有些研究团队是在制作太阳能电池时,改变制程,设法将矽晶与钙钛矿叠层。不过林唯芳和联合再生能源公司合作,将两种太阳能电池制作,只是将钙钛矿太阳能电池的电极转换成可透光的材料,然后直接机械式的叠起。林唯芳解释:「这样做的好处在于可以维持现有的矽晶太阳能电池的制程,再加上简单的钙钛矿太阳能电池制程,在现阶段的技术上是最有商机的。而且现在钙钛矿太阳能电池还是比较容易损坏,如果它先损坏了,我们可以只要替换新的钙钛矿太阳能电池上去就好。」

图 3、钙钛矿太阳能电池与矽晶太阳能电池叠层,可以增加光电转换效率。(林唯芳、吴庭慈)

谈起这几年钙钛矿的兴起,林唯芳认为这是非常有希望的一种材料!在这几年的积极努力下,林唯芳不但在钙钛矿太阳能电池的研究上有进展,还为技术的产业化努力,鼓励毕业同学廖学中与许哲溥,创立前创科技公司,专精于钙钛矿太阳能电池材料的制造和生产,并和台大机械系的黄秉钧、亿尚精密机械公司合作,共同研发了专门涂布制作钙钛矿太阳能电池的机器(如图 4)。另外也和生产矽晶太阳能电池的联合再生公司合作,发展大面积高效率层叠太阳能电池,形成了上中下游完全自主整合的一条鞭生产链。

林唯芳说:「这对我们的产业界也带来了贡献,虽然我是做学术研究的,但能帮助到的产业,我也觉得很开心。」而钙钛矿这个「大自然的礼物」,将为太阳能以及人类生活带来的改变,也值得我们期待。

图 4、钙钛矿太阳能电池薄膜制造机。(黄秉钧)

钙钛矿型太阳能电池是什么原理

高效钙钛矿太阳能电池中,最常用的吸光材料是CH3NH3PbI3,其带隙约为1.5eV[20],能充分吸收400~800nm的可见光,比钌吡啶配合物N719高出一个数量级。CH3NH3PbI3吸光材料有很好的电子传输能力,并具有较少的表面态和中间带缺陷,有利于光伏器件获得较大的开路电压,是钙钛矿太阳能电池能够实现高效率光电转化的原因。目前常用的空穴传输材料(Holetransportmaterial,HTM)有spiro-MeOTAD、P3HT(聚3-己基噻吩)、CuI和CuSCN等。韩国Noh研究团队[44]以PTAA作为HTM,所制备的太阳能电池光电转换效率为12%。Giacomo等[24]分别以P3HT和Spiro-OMeTAD作为HTM制备钙钛矿太阳能电池,对比发现两者光电转换效率十分相近,但引入P3HT的器件开路电压(Voc)达到0.93V,高于引入Spiro-OMeTAD器件的开路电压(Voc=0.84V)。在引入空穴传输层的钙钛矿太阳能电池中,对空穴传输层的厚度有较高的要求。例如spiro-OMeTAD层应较薄,以使空穴从spiro-OMeTAD中传输到对电极的阻力最小化,而典型钙钛矿吸光材料的电导率一般在10-3S/cm数量级,为了防止钙钛矿吸光膜层和对电极中发生电流短路现象,spiro-OMeTAD厚度又应适当增加。鉴于以上原因,空穴传输膜层的厚度必须通过不断的实验探索才能达到化。另外,还可通过采用渗透性更好的空穴传输材料来获得更高的填充系数和光电转换效率。针对目前常用的空穴传输材料spiro-OMeTAD合成路线复杂、价格昂贵等问题,科研人员研制了一系列易于合成且成本低廉的小分子作为空穴传输材料。Christians和Qin等[45,46]分别以CuI和CuSCN作为空穴传输材料,实验结果表明CuI的导电性比spiro-OMeTAD好,可以有效改善器件的填充因子,获得6%的光电转换效率;而CuSCN中空穴传输速率为0.01~0.1cm2·V/s,远高于spiro-OMeTAD中空穴传输速率,使得器件短路电流大大增加,光电转换效率为12.4%。这些新型无机空穴传输材料在未来大规模研究和应用中,有望作为spiro-OMeTAD的替代品降低电池的原料成本。最近Fang等[47]采用紫外臭氧表面处理和氯元素界面钝化两个关键技术,首次在一种结构为FTO/CH3NH3PbI3-xClx/Spiro-OMeTAD/Au无空穴阻挡层的钙钛矿太阳能电池上取得了1.06V的开路电压和14%的光电转化效率。

钙钛矿电池优势和劣势

钙钛矿太阳能电池优缺点:

一钙钛矿电池的优势:转换效率发展速度快6年时间从3.8%升到20.3%,而2013年十一月美国科学家在最新研究中发现,新式钙钛太阳能电池的转化效率或可高达50%,为目前市场上太阳能电池转化效率的2倍,这说明了它还有很大的发展潜力;电池制作工艺简单实验室中常采用液相沉积、气相沉积工艺、液相/气相混合沉积工艺;

二钙钛矿电池的劣势:材料有毒钙钛矿电池材料含有铅,不过铅跟其他类型电池含有的砷、镓、碲、镉相比,简直就是小巫见大巫。

而美国西北大学也已研发出一种用锡代替铅的钙钛矿太阳能电池,不过这种电池的转换效率还只有6%,而且材料非常不稳定,目前处于研发初级阶段;

钙钛矿电池和固态电池区别

钙钛矿电池和固态电池是两种不同的电池类型,主要区别在于它们的电解质材料和工作原理。钙钛矿电池使用的是液态或凝胶态电解质,其电极材料是钙钛矿结构的材料,如氧化钙钛矿等,因此也被称为钙钛矿太阳能电池。相比传统的硅太阳能电池,钙钛矿电池有更高的光电转换效率和更低的制造成本。固态电池则使用固态电解质,如氧化铝、硫化锂等,而电极材料可以是锂、钠等。固态电池具有高能量密度、安全性好、使用寿命长等优点,适用于电动汽车、便携式电子设备等领域。相比传统的液态电解质电池,固态电池还具有更高的耐高温、抗冲击等特性。总体来说,钙钛矿电池和固态电池在电解质材料和工作原理上存在异,因此具有不同的应用场景和优缺点。