研究人员发现了用于太阳能电池的新型无铅钙钛矿材料

普罗维登斯，R.I.[布朗大学]——一种叫做钙钛矿的材料已经成为一种有前途的硅材料替代品，可以用来制造廉价高效的太阳能电池。不过，尽管钙钛矿前景光明，但也并非一无是处。大多数含有铅，这是高度有毒的，并包括有机材料，不太稳定时，暴露在环境中。

现在，布朗大学和内布拉斯加州大学林肯分校(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《焦耳(新什麽姐姐杂志细胞),研究人员表明,材料可以是一个不错的候选人,尤其是使串联太阳能电池——安排在钙钛矿细胞置于硅或另一个建立材料来提高整体效率。

“钛是一种丰富、坚固和生物相容的元素，到目前为止，钙钛矿的研究基本上忽略了这一点，”布朗大学工程学院奥蒂斯e兰德尔大学(Otis E. Randall University)教授、分子和纳米创新研究所(Institute for Molecular and Nanoscale Innovation)所长尼廷帕杜尔(Nitin Padture)说。“我们证明了用钛基材料制造薄膜钙钛矿是可能的，而且这种材料对太阳能应用具有良好的性能，可以调节。”

人们对钙钛矿(一种具有特殊晶体结构的材料)的兴趣出现在2009年，当时人们发现钙钛矿能够将阳光转化为电能。第一批钙钛矿太阳能电池的转换效率只有4%左右，但很快就飙升至23%，与传统硅电池不相上下。钙钛矿提供了一些有趣的优势。它们的制造成本可能比硅电池更低，而且它们可以部分透明，从而支持像窗户这样的新技术来发电。

帕杜尔说:“钙钛矿研究的一大推动力是摆脱铅基材料，寻找无毒、更稳定的新材料。”“通过计算机模拟，我们在UNL的理论合作者预测，含有铯、钛和卤素成分(溴或/和碘)的钙钛矿是一个很好的选择。下一步是用这种材料制造太阳能电池并测试其性能，这就是我们在这里所做的。”

研究小组制作了半透明的钙钛矿薄膜，其带隙为1.8电子伏特，被认为是串联太阳能应用的理想选择。研究人员说，这种材料的转换效率为3.3%，远远低于铅基电池，但对于一种全新的材料来说，这是一个良好的开端。

布朗大学工程学助理教授、该研究的合著者周媛媛说:“要提高效率，你可以做很多工程。”“我们认为这种材料有很大的改进空间。”

布朗大学材料科学博士生、论文第一作者陈敏(音译)使用高温蒸发法制备了这种薄膜，但他表示，研究小组正在研究其他方法。他说:“我们也在寻找新的低温和基于溶剂的方法来降低电池制造的潜在成本。”

研究表明，与其他无铅钙钛矿替代品相比，该材料具有若干优点。无铅钙钛矿的一个竞争者是一种主要由锡制成的材料，这种材料暴露在环境中很容易生锈。钛，在手上，是防锈的。钛钙钛矿也有一个开路电压-测量总电压从一个太阳能电池-超过一伏。其他无铅钙钛矿通常产生的电压小于0.6伏特。

“开路电压是我们可以用来评估太阳能电池材料潜力的一个关键特性，”帕杜尔说。“因此，在一开始就拥有如此高的价值是非常有前途的。”

研究人员表示，与硅相比，这种材料的带隙相对较大，这使得它成为串联式太阳能电池顶层的主要候选材料。钛钙钛矿上层将吸收太阳的高能量光子，而下层硅层由于带隙较小而无法吸收这些光子。同时，较低能量的光子会通过半透明的上层被硅吸收，从而增加细胞的总吸收能力。

帕杜尔说:“串联细胞是钙钛矿最容易获得的果实。”他说:“我们目前还不打算取代现有的硅技术，而是希望推动这项技术的发展。所以如果你能制造出一个稳定的无铅串联电池，那就是赢家。这种新材料看起来是个不错的选择。”

论文的其他合著者还有鞠明刚、卡尔、宗英霞、格林、顾家军和曾晓成。该研究由美国国家科学基金会(OIA-1538893, DMR-1420645)资助。