研究人员解决了低成本太阳能电池批量生产中的重大挑战

一支由大学研究人员组成的国际团队今天报告说，解决钙钛矿电池的主要制造挑战是硅基太阳能电池的潜在挑战者。

这些晶体结构具有很大的前景，因为它们可以吸收几乎所有波长的光。钙钛矿型太阳能电池已经进行了小规模的商业化，但是最近功率转换效率(PCE)的巨大改进正促使人们将其用作太阳能电池板的低成本替代产品。

在今天在线出版的2018年6月28日《纳米尺度》(Nanoscale)的封面文章中，研究小组揭示了一种新的可扩展方法，该方法可将关键成分应用于钙钛矿电池以解决一些主要的制造挑战，该方法具有可扩展性。研究人员能够以一种新的方式(喷涂)在钙钛矿型光伏电池中应用关键电子传输层(ETL)，从而使ETL具有优越的电导率以及与其相邻的钙钛矿层的牢固界面。

该研究由纽约大学丹东工程学院化学与生物分子工程系的副教授安德烈·D·泰勒(AndréD. Taylor)，论文的第一作者，北京大学研究员郑逸凡领导。合著者来自中国电子科技大学，耶鲁大学和约翰·霍普金斯大学。

多数太阳能电池是材料的“三明治”，其层状结构使得光入射到电池表面时，它会激发带负电荷的材料中的电子，并通过将电子移向带正电荷的“孔”的晶格来建立电流。在具有简单平面取向的钙钛矿太阳能电池(称为“ pin”(或倒置时为压区))中，钙钛矿构成了带负电的ETL和带正电的空穴传输层(HTL)之间的捕光本征层(引脚中的“ i”) 。

当带正电和带负电的层分开时，该体系结构的行为类似于Pachinko的亚原子游戏，其中来自光源的光子从ETL驱散不稳定的电子，从而使它们落向三明治的正HTL侧。钙钛矿层加速了该流动。钙钛矿因其对空穴和电子的强亲和力和快速的反应时间而成为理想的本征层，而商业规模的制造已证明具有挑战性，部分原因是难以在钙钛矿的晶体表面上有效地施加均匀的ETL层。

研究人员选择化合物[6,6]-苯基-C(61)-丁酸甲酯(PCBM)是因为其作为ETL材料的良好记录，并且由于在粗糙层中使用PCBM可以提高电导率，降低成本-可穿透的界面接触，并增强了光陷阱。泰勒说：“很少有关于平面引脚设计的ETL选项的研究。” “平面电池的主要挑战是，如何以不破坏相邻层的方式实际组装它们?”

最常见的方法是旋转浇铸，该方法包括旋转单元并允许向心力将ETL流体分散在钙钛矿基质上。但是该技术限于小的表面，并导致不一致的层，降低了太阳能电池的性能。旋转铸造对于通过诸如卷对卷制造的方法的大型太阳能电池板的商业生产也是不利的，否则柔性销平面钙钛矿结构非常适合于此。

研究人员转而使用喷涂，该喷涂可在大面积上均匀地施加ETL，适用于制造大型太阳能电池板。他们报告说，与其他ETL相比，效率提高了30%(从13%的PCE到17%以上)，而且缺陷更少。泰勒补充说：“我们的方法简洁，可重复性高且可扩展。这表明喷涂PCBM ETL可以对于改善钙钛矿太阳能电池的效率基准并为不久的将来破纪录的针状钙钛矿太阳能电池提供理想的平台，具有广泛的吸引力。”