科学家开发出更安全的铅基钙钛矿太阳能电池

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发布时间:02-2011:57

北伊利诺伊大学(NIU)和美国能源部(DOE)位于科罗拉多州Golden的国家可再生能源实验室(NREL)的研究人员2月19日在《Nature》杂志上报道了混合钙钛矿太阳能电池开发的重要突破。

钙钛矿太阳能电池被认为是太阳能领域的后起之秀,与传统的硅基太阳能电池相比,它们可能更便宜,生产更简单,并且至少在实验室较小尺寸的情况下,它们已显示出较高的效率水平。但是,由于仍然存在一些待解决的问题使其无法成为具有竞争性的商业技术。

一个主要问题是铅的使用。大多数性能较高的混合钙钛矿太阳能电池均包含水溶性铅,引发了人们对受损电池潜在泄漏危险的担忧。

在北伊利诺伊大学的Tao Xu和NREL的Kai Zhu的带领下,科学家们开发了一种技术,该技术可通过在太阳能电池的正面和背面应用铅吸收膜来隔离制造钙钛矿型太阳能电池所用的铅,并将潜在的毒性泄漏降至最低。

铅的毒性问题一直是钙钛矿太阳能电池领域中最困扰研究人员的问题,如果针对这一问题有好的解决办法,将会在行业内产生巨大影响。NIU化学教授Xu说:“如果电池受损,我们的产品会捕获大部分铅,从而防止其浸入地下水和土壤中。并且我们使用的薄膜不溶于水。”

科学家们说,在实验室环境中太阳能电池受到严重破坏的情况下,吸铅膜隔离了96%的铅泄漏。他们的实验进一步表明,铅吸收层不会对电池性能或长期运行稳定性产生负面影响。

钙钛矿太阳能电池之所以得名,是因为它们使用的晶体结构类似于在钙钛矿中发现的晶体结构。这些太阳能电池中的钙钛矿结构化合物最常见的是基于有机-无机卤化铅的混合材料。

科学家们大约在十年前才就已开始研究这些用于太阳能电池的晶体结构,并迅速提高了它们的太阳能转换效率。传统的硅太阳能电池是在高温下通过精密工艺生产的,而钙钛矿则可以使用室温化学溶液来生产。

Xu教授说,新开发的“表面复合方法”可以很容易地与目前的钙钛矿太阳能电池结合使用。

将透明的铅吸收膜复合到太阳能电池正面的导电玻璃上。隔离膜包含强的结合铅的膦酸基团,但不妨碍细胞捕获光。在背面金属电极上使用了一种较便宜的与铅螯合剂混合的聚合物薄膜,不需要透明性。

Xu教授说:“这些材料都是现成的,不过从未被用在电池上。光必须进入电池,才能被钙钛矿层吸收,而正面膜实际上起到了减反射剂的作用,从而稍微提高了透明度。”

铅泄漏测试包括锤击和粉碎2.5-x-2.5 cm电池的前玻璃,并用剃须刀刮擦太阳能电池的背面,然后将其浸入水中。由于水的进入,这些膜可以吸收严重受损电池中的绝大多数铅。

NREL的资深科学家Zhu说:“值得注意的是,这种铅封存方法还适用于其他基于钙钛矿的技术,例如固态照明,显示器和传感器应用。”

研究人员在实验室
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