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世紀(jì)新能源網(wǎng)消息：近日，韓國成均館大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院教授，鈣鈦礦電池材料專家Mr.Nam-Gyu Park于北京第14屆中國光伏大會于中國同仁分享了最新的研究成果。
世紀(jì)新能源網(wǎng)記者了解，近年鈣鈦礦電池技術(shù)異軍突起，鈣鈦礦電池效率從最初的3.8%，到目前短短的5年達到了20.2%。
鈣鈦礦電池研究最初始于1978年。Mr.Nam-Gyu Park稱鈣鈦礦中分子的轉(zhuǎn)動和移動會影響它的相轉(zhuǎn)變以及它的電學(xué)性質(zhì)，鈣鈦礦材料中分子取向以及結(jié)構(gòu)隨溫度的變化。日本的Miyasaka老師最早制備了液態(tài)鈣鈦礦太陽能電池，并獲得3.8%的效率，隨后我們在這樣的體系中把效率提高到6.5%。
Mr.Nam-Gyu Park表示：雖然我們文章大量被閱讀，卻依然沒有引用，主要原因就是這樣一種材料在液態(tài)電解質(zhì)中不穩(wěn)定，因此必須用固態(tài)的空穴傳輸材料替代液態(tài)的電解質(zhì)。于是就出現(xiàn)第一個固態(tài)鈣鈦礦太陽能電池，這樣的電池仍然具有敏化的概念。由于鈣鈦礦材料高的吸光性能，可以在較薄的體系里獲得高的效率，這是在0.6微米下獲得的9.7%的效率，是當(dāng)時固態(tài)敏化電池的最高效率，同時空穴傳輸材料可以保護鈣鈦礦，使得電池具有較好的穩(wěn)定性。這篇文章到目前為止已經(jīng)引用近500次( 谷歌學(xué)術(shù))。
鈣鈦礦材料中又發(fā)現(xiàn)具有很多新穎的電學(xué)性質(zhì)，到目前為止鈣鈦礦太陽能電池已經(jīng)發(fā)展出來多種的結(jié)構(gòu)。目前，是通過一種稱為控制鈣鈦礦材料的晶粒尺寸來提高效率的實驗方案。這是通過控制原料濃度實現(xiàn)晶體尺寸控制的實驗方案，可以發(fā)現(xiàn)更低的濃度可以獲得更高的晶粒尺寸。
從FIB切片的電鏡照片可以看到很大的鈣鈦礦晶粒，而更大的晶?？梢垣@得更高的光電流和更高的效率，最終獲得了17%的效率。同時發(fā)現(xiàn)不同的晶粒尺寸的電池會影響電池正反掃的差異。這是對不同晶粒尺寸的鈣鈦礦薄膜的鐵電效應(yīng)的研究成果，可能會影響電池正反掃的差異。同時發(fā)現(xiàn)多孔二氧化鈦膜的厚度以及形貌也會影響正反掃的差異。使用甲脒鉛碘材料也是獲得高效太陽能電池的一種方案。這是甲脒鉛碘的能帶結(jié)構(gòu)以及它的合成路線。這里，多孔二氧化鈦厚度也會顯著影響太陽能電池的工作效率。
同時發(fā)現(xiàn)，甲脒鉛碘電池具有更好的光工作溫度性。但是它在長波段的量子響應(yīng)卻低于甲胺鉛碘電池，因此我們通過離子交換的方式在甲脒鉛碘薄膜上又沉積了一層非常薄的甲胺鉛碘薄膜，最終獲得16%的轉(zhuǎn)換效率。為了提高電池的穩(wěn)定性，我們利用金字塔結(jié)構(gòu)設(shè)計了疏水的鈣鈦礦太陽能電池，這是疏水太陽能鈣鈦電池的實現(xiàn)過程。這樣一種金字塔型的減反設(shè)計可以獲得更高的光電流和更好的自清潔能力。還利用分光技術(shù)獲得這樣一個組合的鈣鈦礦太陽能電池。同時在高的濕度下也可以獲得高效率的太陽能電池效率。而且在常溫下進行薄膜沉積，也可以獲得10%的效率，這可以在低溫下實現(xiàn)卷對卷的大面積生產(chǎn)。
利用鈣鈦礦電池高電壓的特性，可以實現(xiàn)高效率的光催化電解水?？偨Y(jié)一下鈣鈦礦電池的發(fā)展，從9.7%的效率開始，固態(tài)鈣鈦礦太陽能電池在兩年內(nèi)實現(xiàn)快速增長，達到20.2%的認(rèn)證效率。如果把這樣一個電池的電壓損耗降到最低，效率可以達到25%，可以與硅電池比擬。
我國的鈣鈦礦電池研究進展
世紀(jì)新能源網(wǎng)新聞數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)顯示：我國北京大學(xué)介觀光學(xué)與飛秒光物理”國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體成員肖立新教授、朱瑞研究員和龔旗煌院士在鈣鈦礦電池領(lǐng)域成果顯著。
據(jù)悉，研究發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦型光伏材料的結(jié)晶形貌對其光電性能的影響至關(guān)重要，肖立新教授、龔旗煌院士與西安交通大學(xué)吳朝新教授、侯洵院士合作，通過分步溶液成膜方法對摻氯鈣鈦礦材料進行優(yōu)化，相對于一步溶液成膜方法，微觀形貌容易控制，器件效率得到極大提高，并進一步研究鈣鈦礦薄膜材料的成膜條件，實現(xiàn)對鈣鈦礦薄膜形貌的調(diào)控，成功制備介觀結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池，同時提高太陽能電池的吸光能力及電荷傳輸能力，研究結(jié)果分別發(fā)表在Chem. Commun. 2014，50，12458的內(nèi)封面文章及Nanoscale，2014，6，8171上。該創(chuàng)新研究群體還針對鈣鈦礦電池急需解決的穩(wěn)定性問題，開發(fā)了一種新型疏水性空穴傳輸材料使器件的穩(wěn)定性得到極大改善（Chem. Commun. 2014，50，11196），相關(guān)工作已經(jīng)申請中國發(fā)明專利。
“青年千人”研究員朱瑞博士和龔旗煌院士針對鈣鈦礦太陽能電池中的界面工程問題，利用堿金屬鹽修飾透明導(dǎo)電電極表面，優(yōu)化了透明電極與鈣鈦礦活性層材料之間的能級匹配，實現(xiàn)了不依賴于氧化物致密層的鈣鈦礦型太陽能結(jié)構(gòu)，該器件的光電轉(zhuǎn)換效率可達到15.1%。結(jié)果表明，通過界面修飾工程可以替代常規(guī)的致密氧化物薄膜，實現(xiàn)電子的有效收集，這將有助于簡化器件的制備工藝，同時也使鈣鈦礦太陽能電池仍保持良好的器件性能。該工作即將發(fā)表在ACS Nano（已接收）上，相關(guān)成果也已經(jīng)申請中國發(fā)明專利。
世紀(jì)新能源網(wǎng)記者了解，近年鈣鈦礦電池技術(shù)異軍突起，鈣鈦礦電池效率從最初的3.8%，到目前短短的5年達到了20.2%。
鈣鈦礦電池研究最初始于1978年。Mr.Nam-Gyu Park稱鈣鈦礦中分子的轉(zhuǎn)動和移動會影響它的相轉(zhuǎn)變以及它的電學(xué)性質(zhì)，鈣鈦礦材料中分子取向以及結(jié)構(gòu)隨溫度的變化。日本的Miyasaka老師最早制備了液態(tài)鈣鈦礦太陽能電池，并獲得3.8%的效率，隨后我們在這樣的體系中把效率提高到6.5%。
Mr.Nam-Gyu Park表示：雖然我們文章大量被閱讀，卻依然沒有引用，主要原因就是這樣一種材料在液態(tài)電解質(zhì)中不穩(wěn)定，因此必須用固態(tài)的空穴傳輸材料替代液態(tài)的電解質(zhì)。于是就出現(xiàn)第一個固態(tài)鈣鈦礦太陽能電池，這樣的電池仍然具有敏化的概念。由于鈣鈦礦材料高的吸光性能，可以在較薄的體系里獲得高的效率，這是在0.6微米下獲得的9.7%的效率，是當(dāng)時固態(tài)敏化電池的最高效率，同時空穴傳輸材料可以保護鈣鈦礦，使得電池具有較好的穩(wěn)定性。這篇文章到目前為止已經(jīng)引用近500次( 谷歌學(xué)術(shù))。
鈣鈦礦材料中又發(fā)現(xiàn)具有很多新穎的電學(xué)性質(zhì)，到目前為止鈣鈦礦太陽能電池已經(jīng)發(fā)展出來多種的結(jié)構(gòu)。目前，是通過一種稱為控制鈣鈦礦材料的晶粒尺寸來提高效率的實驗方案。這是通過控制原料濃度實現(xiàn)晶體尺寸控制的實驗方案，可以發(fā)現(xiàn)更低的濃度可以獲得更高的晶粒尺寸。
從FIB切片的電鏡照片可以看到很大的鈣鈦礦晶粒，而更大的晶?？梢垣@得更高的光電流和更高的效率，最終獲得了17%的效率。同時發(fā)現(xiàn)不同的晶粒尺寸的電池會影響電池正反掃的差異。這是對不同晶粒尺寸的鈣鈦礦薄膜的鐵電效應(yīng)的研究成果，可能會影響電池正反掃的差異。同時發(fā)現(xiàn)多孔二氧化鈦膜的厚度以及形貌也會影響正反掃的差異。使用甲脒鉛碘材料也是獲得高效太陽能電池的一種方案。這是甲脒鉛碘的能帶結(jié)構(gòu)以及它的合成路線。這里，多孔二氧化鈦厚度也會顯著影響太陽能電池的工作效率。
同時發(fā)現(xiàn)，甲脒鉛碘電池具有更好的光工作溫度性。但是它在長波段的量子響應(yīng)卻低于甲胺鉛碘電池，因此我們通過離子交換的方式在甲脒鉛碘薄膜上又沉積了一層非常薄的甲胺鉛碘薄膜，最終獲得16%的轉(zhuǎn)換效率。為了提高電池的穩(wěn)定性，我們利用金字塔結(jié)構(gòu)設(shè)計了疏水的鈣鈦礦太陽能電池，這是疏水太陽能鈣鈦電池的實現(xiàn)過程。這樣一種金字塔型的減反設(shè)計可以獲得更高的光電流和更好的自清潔能力。還利用分光技術(shù)獲得這樣一個組合的鈣鈦礦太陽能電池。同時在高的濕度下也可以獲得高效率的太陽能電池效率。而且在常溫下進行薄膜沉積，也可以獲得10%的效率，這可以在低溫下實現(xiàn)卷對卷的大面積生產(chǎn)。
利用鈣鈦礦電池高電壓的特性，可以實現(xiàn)高效率的光催化電解水?？偨Y(jié)一下鈣鈦礦電池的發(fā)展，從9.7%的效率開始，固態(tài)鈣鈦礦太陽能電池在兩年內(nèi)實現(xiàn)快速增長，達到20.2%的認(rèn)證效率。如果把這樣一個電池的電壓損耗降到最低，效率可以達到25%，可以與硅電池比擬。
我國的鈣鈦礦電池研究進展
世紀(jì)新能源網(wǎng)新聞數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)顯示：我國北京大學(xué)介觀光學(xué)與飛秒光物理”國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體成員肖立新教授、朱瑞研究員和龔旗煌院士在鈣鈦礦電池領(lǐng)域成果顯著。
據(jù)悉，研究發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦型光伏材料的結(jié)晶形貌對其光電性能的影響至關(guān)重要，肖立新教授、龔旗煌院士與西安交通大學(xué)吳朝新教授、侯洵院士合作，通過分步溶液成膜方法對摻氯鈣鈦礦材料進行優(yōu)化，相對于一步溶液成膜方法，微觀形貌容易控制，器件效率得到極大提高，并進一步研究鈣鈦礦薄膜材料的成膜條件，實現(xiàn)對鈣鈦礦薄膜形貌的調(diào)控，成功制備介觀結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池，同時提高太陽能電池的吸光能力及電荷傳輸能力，研究結(jié)果分別發(fā)表在Chem. Commun. 2014，50，12458的內(nèi)封面文章及Nanoscale，2014，6，8171上。該創(chuàng)新研究群體還針對鈣鈦礦電池急需解決的穩(wěn)定性問題，開發(fā)了一種新型疏水性空穴傳輸材料使器件的穩(wěn)定性得到極大改善（Chem. Commun. 2014，50，11196），相關(guān)工作已經(jīng)申請中國發(fā)明專利。
“青年千人”研究員朱瑞博士和龔旗煌院士針對鈣鈦礦太陽能電池中的界面工程問題，利用堿金屬鹽修飾透明導(dǎo)電電極表面，優(yōu)化了透明電極與鈣鈦礦活性層材料之間的能級匹配，實現(xiàn)了不依賴于氧化物致密層的鈣鈦礦型太陽能結(jié)構(gòu)，該器件的光電轉(zhuǎn)換效率可達到15.1%。結(jié)果表明，通過界面修飾工程可以替代常規(guī)的致密氧化物薄膜，實現(xiàn)電子的有效收集，這將有助于簡化器件的制備工藝，同時也使鈣鈦礦太陽能電池仍保持良好的器件性能。該工作即將發(fā)表在ACS Nano（已接收）上，相關(guān)成果也已經(jīng)申請中國發(fā)明專利。
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