中科院最新太阳能电池，达目前最高光电转化效（26.4%）
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2024-11-15
太阳能电池是将太阳能转化为电能的关键技术，对清洁能源领域的发展具有重要意义。太阳能作为可再生能源，具有清洁、环保、可持续的特点，有望成为未来能源供应的主导力量。目前，市场上主流的太阳能电池是硅基太阳电池，但随着技术的发展，钙钛矿太阳能电池因其高效率、低成本、易于制备等优势，逐渐成为研究的热点。其光电转化效率及稳定性备受关注，也是相关科学家持续研究的重要方向之一。
我国科学家近日在钙钛矿/有机叠层太阳能电池领域取得了重大突破，成功开发出一种新型太阳能电池，其光电转换效率达到了26.4%，这是迄今为止报道的最高效率。这一成果由中国科学院化学研究所和北京分子科学国家研究中心的李永舫和孟磊团队与德国波茨坦大学的菲尼克斯·朗(Felix Lang)教授合作完成，相关论文“Isomeric diammonium passivation for perovskite–organic tandem solar cells”已在《自然》杂志上发表。
该研究团队通过深入研究宽带隙钙钛矿表面的钝化机制，揭示了两种顺反异构的钝化剂分子导致的钙钛矿表面结构差异，并筛选出具有优势构型的顺式钝化分子。这种钝化处理显著降低了宽带隙钙钛矿与电子传输层的界面复合，实现了开路电压达到1.36伏特、光电转化效率大于18%的宽带隙钙钛矿太阳能电池。进一步将这种钙钛矿太阳能电池与有机太阳能电池结合，构建了钙钛矿/有机叠层太阳能电池，并通过实验验证了其高效的光电转换性能。
(a) 钙钛矿钝化剂CyDAI(2)化学结构 (b) 通过测试不同条件下薄膜的准费米能级分裂和器件的开路电压总结的电压损耗示意图 (c) 钙钛矿-有机叠层太阳能电池结构示意图以及扫描电镜截面图 (d) 太阳能电池的电流密度-电压曲线
钙钛矿材料因其在光伏领域的潜力而备受关注，特别是单结钙钛矿太阳能电池的效率不断刷新记录。为了进一步提升光电转换效率，研究者开始探索基于宽带隙钙钛矿的叠层太阳能电池，例如钙钛矿/硅叠层太阳能电池和钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池。相较于其他类型的叠层太阳能电池，钙钛矿/有机叠层太阳能电池因其新兴技术和独特的优势而备受关注。
在这种结构中，宽带隙钙钛矿材料作为顶电池吸收短波长太阳光，而窄带隙有机活性层作为底电池吸收近红外长波长太阳光。这种方法不仅显著拓宽了可利用的太阳光谱范围，还降低了能量损失。此外，钙钛矿子电池可以过滤高能量光子以保护有机活性层，防止其光降解；有机子电池可以作为封装层隔绝水氧，提升环境稳定性。中间透明电极层还可以缓解钙钛矿顶电池负极处的离子扩散问题，从而提高钙钛矿-有机叠层太阳能电池的稳定性，使其优于单结钙钛矿和单结有机太阳能电池。
钙钛矿/有机叠层太阳能电池还保留了可溶液制备太阳能电池的本征优势，这为其未来的大规模生产和应用奠定了基础。这项研究通过深入探究钙钛矿表面的钝化机制，发现了一种新的表面钝化剂CyDAI2，其顺式结构能够有效提高宽带隙钙钛矿太阳能电池的开路电压，为降低电压损失提供了新思路。最终，结合窄带隙有机材料底电池构建的钙钛矿/有机叠层太阳能电池，实现了26.4%的光电转换效率，经第三方认证为25.7%，为目前报道的钙钛矿/有机叠层太阳电池的最高效率。
这种新型叠层太阳能电池不仅在效率上取得了突破，还在稳定性和应用前景上展现出显著优势。与传统的晶硅太阳能电池相比，钙钛矿/有机太阳能电池具有易制备、重量轻、可制备成柔性器件等特点，并且能够与晶硅太阳能电池形成互补，拓宽了太阳能电池的应用领域。此外，钙钛矿/有机叠层太阳能电池还保留了可溶液制备太阳能电池的本征优势，这为其未来的大规模生产和应用奠定了基础。
总的来说，这项研究为钙钛矿太阳能电池的发展提供了新的方向，其在降低电压损失、提升光电转换效率以及增强稳定性方面的成果，将有力推动钙钛矿/有机叠层太阳能电池的商业化进程，为实现更高效率的太阳能转换技术提供了重要的科学支撑。
前衍可提供电池研究用的化学品
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氧化锂
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钴(III)酸锂
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LiCoO2
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高锰(III,IV)酸锂
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LiMn2O4
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铜
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Cu
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