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《韩国成功开发第二代钙钛矿型光伏电池》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2018-05-23

  • 韩国淑明女子大学化工生命工学部的崔京民(音译)教授和朴民宇(音译)教授的研究团队采用低温工艺开发出高效柔性光伏电池。研究团队表示，此项研究利用了钛基金属有机骨架材料，开发出的钙钛矿型柔性光伏电池具有新型的金属氧化物电子传输层。

    此次研究获得了韩国研究财团新进研究者的援助项目和全球博士培养项目的支持，相关成果已经发表于美国化学学会的《ACS Nano》期刊，论文名称为《Nanocrystalline Titanium Metal-Organic Frameworks for Highly Efficient and Flexible Perovskite Solar Cells》（高效和柔性钙钛矿型光伏电池的钛纳米晶金属有机骨架材料）。

    钙钛矿型光伏电池是第二代光伏电池，光能转化效率高，生产成本低，作为第二代能源应用技术备受业界关注，现有光伏电池采用的是氧化钛电子传输层，需要高温的热处理，不能确保柔性光伏电池骨架材料的稳定性，截至目前，柔性光伏电池需要采用复杂的处理工艺，生产成本较高。

    研究团队开发的纳米金属有机骨架材料尺寸不足6nm，由氧化钛簇规则排列而成，通过电子传输层大幅提高了电子传输能力和弯曲性能，在常温下也可以进行低温工艺，同时确保骨架材料的稳定性，由此开发出新型柔性钙钛矿型光伏电池。另外，通过旋转涂层工艺，在短时间内实现低成本制造。值得一提的是，与ITO导电玻璃的刚性光伏电池和采用塑料基体的柔性光伏电池相比，能效分别提高了18.94%和17.43%，经过700次弯曲试验之后，依旧可以确保较高的性能。

    崔京民教授表示，今后将通过深入研究，将钛基纳米金属有机骨架材料应用于多面光伏电池的生产，目标是以低成本开发出高性能的柔性光伏电池。

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    • 编译者：冯瑞华
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    • 韩国科学技术院（KAIST）的一个研究小组提出了一种钙钛矿材料——Cs2Au2I6，它可以作为高效无铅薄膜光伏器件的潜在活性材料。这种材料有望为克服以往已知的钙钛矿存在的稳定性和毒性问题奠定基础。 钙钛矿型光伏电池作为下一代高效光伏电池的强有力的候选者，其最大光转换效率为22％，可与高性能的晶体硅光伏电池相媲美。另外，钙钛矿基电池可以在低温下制造，从而大大降低了成本。 然而，常规的有机——无机杂化钙钛矿材料稳定性低，最终降低了材料的性能，并使其不适合继续在电池中使用。而且，材料中的铅含量也破坏了它们对环境的友好性。 鉴于此，韩国科学技术院（KAIST）化学系的Hyungjun Kim教授和电气工程学院的Min Seok Jang教授领导的一个联合小组分析了一种先前发现的钙钛矿材料——Cs2Au2I6，该材料仅由无机物组成，同时他们还研究了其在薄膜光伏器件中的适用性。理论研究表明，与传统的钙钛矿材料相比，这种新型钙钛矿材料不仅效率高，而且稳定性好、对环境友好。为进行这一分析，该团队开发了多尺度多物理场仿真框架。进行了原子尺度第一原理量子计算，研究了该材料的光学性质，并且进行了器件级的电磁模拟以表明该材料确实可以在器件级别上用作有发展前景的光伏物质。 从这一点出发，研究小组计划从两个方向扩展其研究范围：一是将钙钛矿材料应用于实际光伏电池的实证研究，二是理论分析，以寻找出适合光伏电池的最佳且高度稳定的材料。该科研团队表示：“钙钛矿材料非常高效，但是为了完全取代传统的太阳能电池，它们的稳定性和毒性问题必须首先得到解决。”他们补充说，“这项研究有望加速该领域的相关研究，以追求高效，环保的钙钛矿材料。”
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  • 《钙钛矿电池的十年之变》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2019-07-16
    • ■本报见习记者程唯珈 转眼间2019年已经过半，对中国科学院化学研究所研究员宋延林来说，好消息还在不断涌现。从喷墨打印制备器件，到图案化光子晶体电池设计，再到柔性可穿戴钙钛矿电池应用，他所从事的钙钛矿电池研究取得了一系列突破性进展。 近日，他带领的科研团队通过引入氟离子添加剂，印刷制备了一种新型导电高分子透明电极，并基于此成功制备了柔性钙钛矿太阳能电池（0.1cm2）和模组（25cm2），其光电转换效率突破19%和10%。相关成果发表于《焦耳》。 “近年来，钙钛矿电池发展迅速，科学家的一系列发现解决了深层次科学技术问题，提升了转化效率，让我们不断向发展高效稳定的太阳能电池迈进。”回首钙钛矿电池的十年发展，宋延林为科学家取得的成就感到骄傲。 从液态到固态 中国科学院化学研究所博士胡笑添告诉《中国科学报》，进入中国科学院以来，研究钙钛矿电池的机理和制备工艺一直是他的中心课题。 据他介绍，钙钛矿电池中既没有钙元素，也没有钛元素，而是得名于其中的吸光层材料——一种钙钛矿型晶体结构。钙钛矿电池是以ABX3钙钛矿晶体结构的半导体材料制备的太阳能电池，其中A通常为有机阳离子，B为Pb离子，X为卤素元素。由于制备工艺简单和成本低廉，对于科学家而言，钙钛矿电池是目前最有前景的光电技术之一，更是所属太阳能电池中的佼佼者。 2009年，日本科学家TsutomuMiyasaka率先将钙钛矿材料用于染料敏化太阳能电池作为吸光材料，采用CH3NH3PbI3敏化TiO2阳光极和液态I3-/I-电解质获得了3.8%的光电转化效率。但是，这种材料不稳定，几分钟后即宣告失败。 2011年，韩国成均馆大学Nam-GyuPark课题组通过技术改进，将转化效率提高到了6.5%。然而，由于仍然采用液态电解质，导致材料不稳定，几分钟后效率便削减了80%。 “液态电解质的钙钛矿敏化太阳能电池存在一个致命的缺陷，即液态电解质会溶解或者分解钙钛矿材料，可使电池在几分钟内失效。”胡笑添说。 能否找到一种新的电解质材料？为此，科学家不断扩大视野，创新性地将固态电解质作为空穴传输层。2012年牛津大学HenrySnaithHE和MikeLee课题组引入了空穴传输材料Spiro-OMeTA，实现了钙钛矿电池的固态化，转化效率接近10%。同时，该器件显示出极好的稳定性：未封装器件存放500小时后光伏性能未明显衰减。 至此，钙钛矿电池成为新的研究热点。 不断刷新世界纪录 在层出不穷的钙钛矿电池相关研究中，科学家发现，钙钛矿不仅吸光性好，还是不错的电荷运输材料。为此，他们不断对钙钛矿材料和结构进行改善，以提高钙钛矿电池的光电转换率。 2012年，牛津大学HenrySnaith将电池中的TiO2用铝材（Al2O3）进行了代替，这样钙钛矿在电池片中就不仅是光的吸收层，也同样可作为传输电荷的半导体材料。由此，钙钛矿电池的转换效率一下攀升到15%。 鉴于钙钛矿在太阳能电池中的应用和电池效率快速提升，2013年12月20日，钙钛矿入选美国《科学》2013年十大科学突破。 “钙钛矿材料便宜、易于制备，已经取得15%的光电转换效率。虽然比目前商业化的硅基太阳能电池效率低，但是钙钛矿型材料太阳能电池效率提升迅速，它和其它类型太阳能电池集成以后可以捕捉和转换更宽光谱范围的太阳光。”《科学》杂志如此解释入选理由。 2015年，中国、日本、瑞士合作制得大面积（工作面积超过1cm2）钙钛矿型太阳能电池，使其首次可以与其他类型太阳能电池在同一标准下比较性能，15%的能量转化效率得到国际权威机构认证。2016年，瑞士洛桑联邦理工学院MichaelGr?虞tzel教授课题组进一步将认证效率提高至19.6%。 几年来，这一数据不断攀升。2018年，中国科学院半导体研究所研究员游经碧课题组提出有机盐钝化钙钛矿表面缺陷的方法，先后研制出转换效率为23.3%、23.7%的钙钛矿太阳能电池，连续两次作为世界纪录被美国国家可再生能源实验室（NREL）发表的BestResearchCellEfficiencies收录。 近期，钙钛矿电池的光电转化效率又得到提升。中国科学院大连化学物理研究所研究员刘生忠告诉《中国科学报》，今年4月，韩国化学技术研究所（KRICT）科学家利用溶液旋涂法制备出一种新型钙钛矿材料，创造了24.2%钙钛矿电池效率的新纪录。 “钙钛矿电池效率提升如此迅速，这在光伏研究历史上是前所未有的。这反映出钙钛矿材料在光电领域的巨大潜力。如果最终实现大规模产业化，必将是一个颠覆性材料。”刘生忠说。 机遇与挑战并存 短短10年内，钙钛矿电池的光电转换效率已从最初的3.8%提高到了24.2%。然而，钙钛矿电池的商业化之路仍面临着巨大挑战。 在刘生忠看来，器件的稳定性是首要考验。“钙钛矿薄膜易于受到水分、氧气、紫外光照等因素影响而引起薄膜降解，从而导致电池性能逐步衰退，而这需要改进电池封装、钙钛矿结构维度下降、增加疏水层等。” 同时，规模化制造工艺也需提上议程。刘生忠介绍，目前高效率的钙钛矿电池均是小面积尺寸（小于1cm2），不利于商业化生产，因此想要让钙钛矿电池走出实验室需发展大面积的规模化制造技术。 谈及未来发展，胡笑添认为，钙钛矿电池有望取代硅基电池进行大面积并网发电和分布式发电。钙钛矿还可以实现柔性可穿戴和半透明贴附，应用在未来智能器件和智能建筑、汽车等领域。 这一想法已得到了验证。宋延林告诉《中国科学报》，课题组针对钙钛矿太阳能电池低温可溶液加工的特点，已发展了一系列柔性可穿戴钙钛矿太阳能电池。 “研究人员通过纳米组装—印刷方式制备蜂巢状纳米支架作为力学缓冲层和光学谐振腔，从而显著提高了柔性钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和力学稳定性。同时，引入两亲性弹性结晶基质到钙钛矿前驱体溶液中，以解决钙钛矿晶体薄膜的脆性问题，实现了可穿戴模组。”宋延林说。 在他看来，钙钛矿相比传统硅基电池的应用更为广泛。虽然短时间内取代硅基电池进行规模发电还不太容易，但柔性和半透明等新应用方式可以扬长避短发挥钙钛矿电池的优点，有望最早进入人们的日常生活中。 相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.06.011
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