科学家创造世界纪录，突破大面积钙钛矿电池21.6%光电转化率目前

目前，中国的电力市场主要是火力发电和水力发电，光伏发电比例正在逐年增加。钙钛矿太阳能电池会成为未来的主流吗？如果钙钛矿太阳能电池能真正实现产业化，那么，从成本上来说，光伏发电将有可能更加便宜。
钙钛矿较低的成本是它最大的竞争力，并且含有丰富的碳、氢、氮、碘、铅等化学元素，曾被专业人士认定是太阳能电池领域最有发展潜力的材料。在此基础上，如何更加稳定、高效成为钙钛矿太阳能电池研究的热门方向。
近日，澳大利亚国立大学（ANU）博士后彭军在Science发表了题为《用聚合物钝化钙钛矿太阳能电池，纳米级局部接触实现高填充因子》（Nanoscalelocalizedcontactsforhighfillfactorsinpolymer-passivatedperovskitesolarcells）的论文。
论文表示，其在太阳能转化为电能方面取得了21.6%的效率，这是针对1平方厘米以上面积钙钛矿太阳能电池的新世界纪录。这意味着，这种钙钛矿电池在阳光照射下，每平方米可以产生216瓦的电能。

文章图片
图丨相关论文（来源：Science）
2019年6月27日，该项科研成果还获得权威机构CSIRO（Australia）的认证。这项研究为大面积钙钛矿太阳能电池带来一种新的器件结构设计思路，特别是为制备低串联电阻的钙钛矿太阳能电池，提供了切实的可行性方案。
研究初期，即达17%光电转换效率
2015年6月，彭军加入澳大利亚国立大学工程学院钙钛矿课题组。他从博士期间开始，主要负责高效率钙钛矿太阳能电池的制备，同时为课题组的钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池提供技术支持。
他表示，课题研究起步阶段各方面并不完善。例如，钙钛矿器件效率低，器件稳定性也较差，更谈不上器件效率的重复性。因此，搭建一条可靠的器件制备工艺基线（Baseline）成为课题组的首要任务。
课题组用时2个多月，克服各种不利因素，做出了组里第一片超过17%光电转换效率的钙钛矿电池。
自那时起，彭军开始着手铟掺杂二氧化钛（In-dopedTiOx）电子传输层的研究工作，这项研究也是澳大利亚国立大学钙钛矿课题组第一个效率超过19%的钙钛矿电池器件制备的Baseline 。
“从课题组的第一个高效率电池器件制备的Baseline ，到现在的第四个Baseline都是我负责建立的。虽然过程比较艰辛，但确实学到了很多。 ”
他说， “课题组团队非常团结、有干劲。所以，课题组近期的实验进展也比较顺利。 ”
在钝化层中创造“无阻碍”导电通道
太阳能电池的普遍问题是电池中的任何缺陷都可能捕获电子，带走吸收的太阳能。所以，想要提高电池的转换效率，必须采取有效的钝化手段阻止这种界面缺陷。

文章图片
图|钙钛矿太阳能电池的性能记录（来源：Science）
解决该问题的方法是在吸光材料上涂一层薄材料，使表面“钝化” ，从而减少界面缺陷。
因此，彭军开始着手寻找适合的材料。通过文献调研，他发现了一种比较理想的高分子聚合物材料——聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA ， polymethylmethacrylate ，俗称“亚克力”有机玻璃）。
然而，绝大多数用于减少缺陷的材料往往导电性较差。于是他提出，硅电池可以利用孔洞让电子通过绝缘层，创造一种导电途径，不如对钙钛矿也采取相同的工作原理。

文章图片
图|纳米结构的TiO2电子传输层及其电池器件示意图；不同间距的TiO2纳米柱子阵列钙钛矿电池和对照钙钛矿电池的器件性能参数的统计分布（来源：Science）
“此外，我们还通过建立三维（3D）器件物理模型，模拟二氧化钛（TiO2）纳米柱子阵列在钙钛矿电池内部起到的作用。 ”彭军说。
三维器件物理模型模型表明，若想在钙钛矿太阳电池上工作，需要制造比晶硅电池所用的小数千倍的孔，因此，纳米柱子阵列结构层应运而生。
而通过TiO2纳米柱子阵列来刺破钝化层形成局域导电通道，从而提供有效的电子抽取和传输，同时确保钙钛矿太阳能电池保持高电压和高电流。

文章图片
图丨仿真结果；在不同的未钝化与钝化缺陷密度的比例下，不同间距的TiO2纳米柱子阵列对电池器件性能的影响。（来源：Science）