用于太阳能电池的新型无铅钙钛矿材料

一类称为钙钛矿的材料已成为硅的有前途的替代品，用于制造廉价且高效的太阳能电池。但是，尽管他们的承诺，钙钛矿并非没有缺点。大多数含有高毒性的铅，并且包括在暴露于环境时不是特别稳定的有机材料。

现在，布朗大学和内布拉斯加大学林肯分校(UNL)的一组研究人员提出了一种新的钛基材料，用于制造无铅无机钙钛矿太阳能电池。在一篇发表在Joule杂志上的论文中，研究人员表示，该材料可以成为一个很好的候选者，特别是制造串联太阳能电池 - 钙钛矿电池放置在顶部的安排硅或其他已建立的材料，以提高整体效率。

“钛是一种丰富，强大且具有生物相容性的元素，到目前为止，在钙钛矿研究中一直被忽视，”新论文的高级作者Nitin Padture说道，他是布朗工程学院的Otis E. Randall大学教授兼导演分子与纳米科技创新研究所。“我们发现可以使用钛基材料制造薄膜钙钛矿，并且该材料具有良好的太阳能应用性能，可以进行调整。”

对于清洁能源的钙钛矿，一类具有特殊晶体结构的材料的兴趣出现在2009年，当时它们被证明能够将太阳光转化为电能。第一个钙钛矿太阳能电池的转换效率仅为4%左右，但迅速飙升至接近23%，与传统的硅电池相媲美。钙钛矿提供了一些有趣的优势。与硅电池相比，它们的制造成本可能更低，并且它们可以部分透明，从而实现像窗户那样发电的新技术。

“钙钛矿研究的一个重点是远离铅基材料并找到无毒且更稳定的新材料，”Padture说。“使用计算机模拟，我们在UNL的理论合作者预测，一类具有铯，钛和卤素成分(溴或/和碘)的钙钛矿是一个很好的候选者。下一步是实际制造使用该材料的太阳能电池和测试它的属性，这就是我们在这里所做的。“

该团队制造的半透明钙钛矿薄膜具有1.8个电子伏特的带隙 - 一种测量材料可吸收的光子的能级 - 这被认为是串联太阳能应用的理想选择。研究人员表示，该材料的转换效率为3.3%，远低于铅基电池，但是对于全新材料来说是一个良好的开端。

“你可以做很多工程来提高效率，”周媛媛，布朗工程助理教授(研究)和研究合着者。“我们认为这种材料有很大的改进空间。”

陈敏，博士 布朗的材料科学学生和论文的第一作者，使用高温蒸发方法来制备薄膜，但该团队正在研究替代方法。“我们也在寻找新的低温和溶剂型方法，以降低电池制造的潜在成本，”他说。

研究表明，与其他无铅钙钛矿替代品相比，该材料具有多项优势。一种无铅钙钛矿的竞争者是一种主要由锡制成的材料，当暴露在环境中时很容易生锈。手上的钛是防锈的。钛 - 钙钛矿还具有开路电压 - 一个太阳能电池可用总电压的量度 - 超过一伏。其他无铅钙钛矿通常产生小于0.6伏的电压。

“开路电压是我们可以用来评估太阳能电池材料潜力的关键特性，”Padture说。“因此，从一开始就拥有如此高的价值是非常有希望的。”

研究人员表示，与硅相比，材料相对较大的带隙使其成为串联太阳能电池顶层的主要候选者。钛 - 钙钛矿上层将吸收来自太阳的较高能量的光子，由于其较小的带隙，较低的硅层不能吸收。同时，较低能量的光子将通过半透明的上层被硅吸收，从而增加了电池的总吸收能力。

“对于钙钛矿而言，串联电池是一种悬而未决的成果，”Padture说。“我们现在还没有考虑更换现有的硅技术，而是我们正在寻求提升它。所以如果你能制造一个稳定的无铅串联电池，那么这就是胜利者。这种新材料看起来很不错候选人。”