量子创新推动低成本替代太阳能技术

博士后研究员Hao Chen展示了一种倒置钙钛矿太阳能电池的原型。该团队利用量子力学来提高这种替代太阳能技术的稳定性和效率。图片来源：陈斌

来自多伦多大学应用科学与工程学院的一组研究人员利用量子力学来优化一种称为倒置钙钛矿太阳能电池的设备中的有源层 - 这项技术有朝一日可能导致大众市场太阳能电池的成本仅为目前市场上的一小部分。

目前，几乎所有的商用太阳能电池都是由高纯度的硅制成的，这需要大量的能量来生产。但世界各地的研究人员正在试验替代太阳能技术，这些技术可以用更少的能源和更低的成本制造和安装。

其中一种替代品正在萨金特集团实验室进行研究，被称为钙钛矿。钙钛矿材料的力量来自其独特的晶体结构，这使它们能够在非常薄的层中吸收光并将其有效地转化为电能。

“钙钛矿晶体由液体墨水制成，并使用已经在卷对卷印刷等行业中成熟的技术涂覆到表面上，”萨金特实验室的博士后研究员Hao Chen说，他是发表在Nature Photonics上的一篇新论文的四位共同主要作者之一。

“正因为如此，钙钛矿太阳能电池有可能以比硅低得多的能源成本大规模生产。挑战在于，目前钙钛矿太阳能电池在稳定性上落后于传统的硅电池。在这项研究中，我们的目标是缩小这一差距。

Chen和他的共同主要作者 - 博士候选人Sam Teale和博士后研究人员Bin Chen和Yi Hou正在使用基于倒置太阳能电池结构的策略。

在大多数原型钙钛矿太阳能电池中，电子通过电池底层的负极离开，它们留下的“空穴”通过顶部的正极退出。

逆转这种布置使得能够使用替代制造技术，过去的研究表明，这些技术可以提高钙钛矿层的稳定性。但这种变化是以性能为代价的。

“钙钛矿层和顶部电极之间很难获得良好的接触，”Chen说。“为了解决这个问题，研究人员通常会插入由有机分子制成的钝化层。这在传统方向上非常有效，因为“孔”可以直接穿过这个钝化层。但是电子被这一层阻挡了，所以当你反转细胞时，它就成了一个大问题。

该团队通过利用量子力学克服了这一限制 - 物理原理表明材料在非常小的长度尺度上的行为与在较大尺度上观察到的有所不同。

“在我们的原型太阳能电池中，钙钛矿被限制在极薄的层中 - 只有一到三个高度的晶体，”Teale说。“这种二维形状使我们能够访问与量子力学相关的属性。例如，我们可以控制钙钛矿吸收的光波长，或者电子如何在层内移动。

该团队首先使用其他小组建立的化学技术，在他们的太阳能电池顶部生产二维钙钛矿表面。这使得钙钛矿层能够自行实现钝化，完全消除了对有机层的需求。

为了克服电子阻塞效应，该团队将钙钛矿层的厚度从一个晶体的高度增加到三个。计算机模拟表明，这种变化将足以改变能量格局，使电子能够逃逸到外部电路中，这一预测在实验室中得到了证实。

该团队电池的功率转换效率测量为23.9%，该水平在室温下运行1000小时后没有褪色。即使在高达65 C的温度下进行行业标准的加速老化过程，使用超过500小时后，性能也仅下降了8%。

未来的工作将侧重于进一步提高细胞的稳定性，包括在更高的温度下。该团队还希望构建具有更大表面积的电池，因为目前的电池尺寸仅为约5平方毫米。

尽管如此，目前的结果对这种替代太阳能技术的未来来说是个好兆头。

“在我们的论文中，我们将我们的原型与最近在科学文献中发表的传统和倒置钙钛矿太阳能电池进行了比较，”Teale说。

“我们实现的高稳定性和高效率的结合非常突出。我们还应该记住，钙钛矿技术只有几十年的历史，而硅已经研究了70年。还有很多改进有待改进。