一支由大學(xué)研究人員組成的國(guó)際團(tuán)隊(duì)今天報(bào)告說，解決鈣鈦礦電池的主要制造挑戰(zhàn)是硅基太陽能電池的潛在挑戰(zhàn)者。

這些晶體結(jié)構(gòu)具有很大的前景，因?yàn)樗鼈兛梢晕諑缀跛胁ㄩL(zhǎng)的光。鈣鈦礦型太陽能電池已經(jīng)進(jìn)行了小規(guī)模的商業(yè)化，但是最近功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)的巨大改進(jìn)正促使人們將其用作太陽能電池板的低成本替代產(chǎn)品。

在今天在線出版的2018年6月28日《納米尺度》(Nanoscale)的封面文章中，研究小組揭示了一種新的可擴(kuò)展方法，該方法可將關(guān)鍵成分應(yīng)用于鈣鈦礦電池以解決一些主要的制造挑戰(zhàn)，該方法具有可擴(kuò)展性。研究人員能夠以一種新的方式(噴涂)在鈣鈦礦型光伏電池中應(yīng)用關(guān)鍵電子傳輸層(ETL)，從而使ETL具有優(yōu)越的電導(dǎo)率以及與其相鄰的鈣鈦礦層的牢固界面。

該研究由紐約大學(xué)丹東工程學(xué)院化學(xué)與生物分子工程系的副教授安德烈·D·泰勒(AndréD. Taylor)，論文的第一作者，北京大學(xué)研究員鄭逸凡領(lǐng)導(dǎo)。合著者來自中國(guó)電子科技大學(xué)，耶魯大學(xué)和約翰·霍普金斯大學(xué)。

多數(shù)太陽能電池是材料的“三明治”，其層狀結(jié)構(gòu)使得光入射到電池表面時(shí)，它會(huì)激發(fā)帶負(fù)電荷的材料中的電子，并通過將電子移向帶正電荷的“孔”的晶格來建立電流。在具有簡(jiǎn)單平面取向的鈣鈦礦太陽能電池(稱為“ pin”(或倒置時(shí)為壓區(qū)))中，鈣鈦礦構(gòu)成了帶負(fù)電的ETL和帶正電的空穴傳輸層(HTL)之間的捕光本征層(引腳中的“ i”) 。

當(dāng)帶正電和帶負(fù)電的層分開時(shí)，該體系結(jié)構(gòu)的行為類似于Pachinko的亞原子游戲，其中來自光源的光子從ETL驅(qū)散不穩(wěn)定的電子，從而使它們落向三明治的正HTL側(cè)。鈣鈦礦層加速了該流動(dòng)。鈣鈦礦因其對(duì)空穴和電子的強(qiáng)親和力和快速的反應(yīng)時(shí)間而成為理想的本征層，而商業(yè)規(guī)模的制造已證明具有挑戰(zhàn)性，部分原因是難以在鈣鈦礦的晶體表面上有效地施加均勻的ETL層。

研究人員選擇化合物[6,6]-苯基-C(61)-丁酸甲酯(PCBM)是因?yàn)槠渥鳛镋TL材料的良好記錄，并且由于在粗糙層中使用PCBM可以提高電導(dǎo)率，降低成本-可穿透的界面接觸，并增強(qiáng)了光陷阱。泰勒說：“很少有關(guān)于平面引腳設(shè)計(jì)的ETL選項(xiàng)的研究。” “平面電池的主要挑戰(zhàn)是，如何以不破壞相鄰層的方式實(shí)際組裝它們?”

最常見的方法是旋轉(zhuǎn)澆鑄，該方法包括旋轉(zhuǎn)單元并允許向心力將ETL流體分散在鈣鈦礦基質(zhì)上。但是該技術(shù)限于小的表面，并導(dǎo)致不一致的層，降低了太陽能電池的性能。旋轉(zhuǎn)鑄造對(duì)于通過諸如卷對(duì)卷制造的方法的大型太陽能電池板的商業(yè)生產(chǎn)也是不利的，否則柔性銷平面鈣鈦礦結(jié)構(gòu)非常適合于此。

研究人員轉(zhuǎn)而使用噴涂，該噴涂可在大面積上均勻地施加ETL，適用于制造大型太陽能電池板。他們報(bào)告說，與其他ETL相比，效率提高了30%(從13%的PCE到17%以上)，而且缺陷更少。泰勒補(bǔ)充說：“我們的方法簡(jiǎn)潔，可重復(fù)性高且可擴(kuò)展。這表明噴涂PCBM ETL可以對(duì)于改善鈣鈦礦太陽能電池的效率基準(zhǔn)并為不久的將來破紀(jì)錄的針狀鈣鈦礦太陽能電池提供理想的平臺(tái)，具有廣泛的吸引力。”