NREL在钙钛矿太阳能电池方面取得突破

美国能源部(DOE)国家可再生能源实验室(NREL)的研究人员报告说，钙钛矿太阳能电池技术取得了重大突破，已接近其最高效率。

电池效率的提高归功于一个新的化学式，同时也改善了太阳能电池的结构和光电性能。

钙钛矿是指通过化学作用形成的晶体结构。与硅材料制成的太阳能电池不同，钙钛矿电池具有柔韧性，预计制造成本更低。

随着研究人员不断改进这项技术，钙钛矿太阳能电池的效率稳步提高。大多数的研究工作都集中在铅基钙钛矿上。高效率、低带隙的钙钛矿可以制造非常高效的全钙钛矿串联太阳能电池，其中每一层只吸收一部分太阳光谱，并优化配置转换成电能的光。然而，低带隙钙钛矿长期以来由于巨大的能量损失和不稳定性，限制了它们在串联中的应用。

NREL的科学家们通过替换钙钛矿结构中的部分铅原子来缩小带隙，使新改进的低带隙钙钛矿太阳能电池的效率达到20.5%。

在钙钛矿太阳能电池中更换铅可以缩小带隙。但是，添加锡(sn)会产生其他问题。锡的快速结晶和氧化在锡基钙钛矿薄膜中产生针孔等缺陷。

利用钙钛矿层的串联太阳能电池的理论最大效率可以超过30%。为了达到这个目的，低带隙吸收层本身的效率必须在21%到23%之间。基于铅-锡混合物的太阳能电池的效率报告约为19%，相比之下，纯铅电池的效率为21%至24%。

为了抵消锡在混合物中的影响，NREL的科学家们引入了化合物GuaSCN。在发现7%的GuaSCN是显著减少缺陷的最佳数量后，他们验证了这些发现，以另一个关键的方式使太阳能电池更有效。太阳能电池利用光“激发”电子来发电。电子保持激发的时间越长，产生的电就越多。化学改性后的新的低带隙材料使电子保持激发状态超过1微秒，比以前报道的时间长约5倍。

改进的低带隙单结太阳能电池以其20.5%的效率，与传统的宽带隙钙钛矿电池耦合。研究人员获得了25%的效率四端和23.1%的效率两端钙钛矿薄膜串联电池。

NREL的研究资金来自美国能源部的SunShot计划、太阳能技术办公室和混合有机无机半导体能源中心。