美国科学家新型廉价无机材料 取代太阳能电池有机空穴导体

浏览: 次 来自:中国化工仪器网 时间:2014-03-11

【导读】钙钛矿太阳能电池是当今最有前途的几种光伏技术之一,其理论转化效率最高可达50%,为目前市场上太阳能电池转化效率的两倍,能大幅降低太阳能电池的使用成本。

碘化铜可让钙钛矿太阳能电池更便宜
  
  新研究中,美国诺特丹大学的杰佛瑞·克里斯、雷蒙德·丰和普拉什特·卡玛特发现用碘化铜制成的无机空穴导电材料可以替代spiro-OMeTAD。
  
  克里斯说:“新发现的无机空穴导电材料比以往的可替代材料都便宜得多,有望进一步降低这种太阳能电池的制造成本。”
  
  钙钛矿是一类具有特定晶体结构的材料,对太阳能电池的制造而言,这种结构具有天然优势:较高的电荷载体迁移率和较好的光线扩散性能,使光电转换过程中的能量损失极低。虽然碘化铜能够充当钙钛矿太阳能电池中的空穴导体现在才被证明,但铜系导体之前就被认为能够在染料敏化太阳能电池和量子点太阳能电池中充当重要角色,而最具吸引力的是它们优良的导电性能。碘化铜导体的导电率比spiro-OMeTAD高两个数量级,这使其能达到更高的填充系数,也决定了用其制成的太阳能电池具有更大的功率。但目前的研究结果表明,包含碘化铜的钙钛矿太阳能电池,在转化效率上暂时不及原有技术。研究人员认为这可能与其较低的电压相关。这一点未来有望通过降低其较高的重组率来弥补。
  
  研究人员发现,碘化铜太阳能电池还表现出一个优势,就是其良好的稳定性。实验结果显示,经过两小时的连续光照后,碘化铜太阳能电池的电流丝毫没有降低,而spiro-OMeTAD太阳能电池所产生的电流则下降了10%。这一点对太阳能电池而言至关重要。克里斯说,下一步他们将对实验步骤进行优化,以使其实现更高的转化效率。
  
  太阳能电池发电效率提高
  
  从广义上来说,高分子聚合物太阳能电池主要由两种材料组成—电子受体材料和电子供体材料。电池在吸收光能后,会产生被称为“激子”的能量粒子。为了提高电池的发电效率,激子在电子受体材料和供体材料之间运动时需要保持尽可能多的能量。
  
  此前有研究发现,调整电子供体最高已占轨道(HOMO)和高分子聚合物中最低未占轨道(LUMO)之间的差距,可以减少激子在运动过程中的能量损耗,进而提高太阳能电池的性能。实现这一过程的传统方法是在高分子聚合物分子主链中添加氟原子。不过,这种方法存在步骤复杂、难度大且成本高昂等缺点。
  
  中国科学院化学家侯建辉(音)利用市面上常见的两种单体和一种较易合成的单体,制造出了一种名为PBT-OP的新型高分子聚合物。此后,美国北卡罗来纳州立大学的物理学博士后马伟(音),同时也是该项研究的通讯作者对这种物质进行了X光结构分析等研究。
  
  研究发现,PBT-OP不仅比其他高分子聚合物更容易合成,而且其HOMO更容易控制。用PBT-OP制造的太阳能电池电压可达到0.78V,比太阳能电池高出0.6V。这也就意味着,新型太阳能电池的发电效率提高了36%。
  
  太阳能技术新突破
  
  实际上,全球价格下降对SolarCity的经营模式来说是有利的。太阳能电池占了太阳能系统费用将近一半的成本。因此,太阳能电池成本的大大降低,会对整体的成本有着重大的影响。这对SolarCity及其它太阳能承包者来说创造了条件,给他们提供更有竟争力的价格,进而把传统燃料挤出市场。
  
  让我们来看一下《新材料》杂志刚刊登的北卡州立大学在太阳能电池效率上取得的新突破。
  
  该研究应用于于有机太阳能电池,它是以在聚合物的基础上开发的(简单一点来说就是塑料),一种相对新型的太阳能电池。
  
  这项突破的关键是北卡州立大学与中国科学院共同研制出的一种名为PBT-OP的低成本聚合物。这种新型聚合物是由两种现有的的单质材料及另外一种新型单质构成。这种单质材料的合成也相对容易(单质是完全相同的分子连接成长链形成的聚合物)。
  
  这种新型聚合物使得有机太阳能电池中不再需要氟,从而降低了成本。
  
  通常,为了提高效率,太阳能电池中的聚合物分子主干材料中必须用到氟原子。但是,那是一个复杂的程序,它使得生产成本大大提高。
  
  PBT-OP虽然不含氟,但却有氟材料的优势。要掌握这种技术,你就要了解到太阳能电池由电子受体材料及电子供体材料构成,每一个都有其轨道。
 

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