介绍太阳能电池的新设计使用廉价且普遍可得的材料，可以与传统的硅制成的电池相媲美甚至更好。斯坦福大学和牛津大学的研究人员在太阳能电池的新设计中使用了廉价和常见的材料，与传统的硅制成的电池相当甚至更好。
来自斯坦福大学和牛津大学的研究人员在10月21日的《科学》杂志上撰文，描述了使用锡和其他丰富的元素来创造一种新型钙钛矿——一种比硅晶体更薄、更柔韧、更容易制造的光伏晶体材料。
“钙钛矿半导体已经显示出以低成本制造高效太阳能电池的巨大前景，”该研究的合著者、斯坦福大学材料科学与工程教授迈克尔麦吉希(Michael McGehee)说。“我们设计了一种固体全钙钛矿器件，可以将太阳光转化为电能，效率为20.3%，与目前市面上的硅太阳能电池相当。”
这种新设备由两个串联的钙钛矿太阳能电池组成。McGehee补充说，每个细胞都被打印在玻璃上，但同样的技术也可以用于在塑料上打印细胞。
“我们展示的全钙钛矿系列电池清楚地勾勒出薄膜太阳能电池的路线图，效率超过30%，”牛津大学物理学教授亨利斯内斯说。“这只是开始。”
系列技术
之前的研究表明，添加一层钙钛矿可以提高硅太阳能电池的效率。但作者表示，由两块全钙钛矿电池组成的串联装置会更便宜，耗能更少。
“硅太阳能电池板首先通过温度高于3000华氏度(1600摄氏度)的过程将二氧化硅转化为硅晶体，”斯坦福大学博士后学者兼共同首席作者托马斯莱伊滕斯(Tomas Leijtens)说。“钙钛矿电池可以在实验室使用普通材料进行加工，如铅、锡和溴，然后在室温下打印在玻璃上。”
然而，全钙钛矿系列设备的构建一直是一个艰巨的挑战。主要问题是制造一种稳定的钙钛矿材料，它可以从太阳捕获足够的能量，并产生合适的电压。
典型的钙钛矿电池从太阳光谱的可见光部分获取光子。能量较高的光子可以使钙钛矿晶体中的电子跳过“能隙”，产生电流。
能隙小的太阳能电池可以吸收大部分光子，但产生的电压非常低。能隙较大的电池产生的电压较高，但能量较低的光子直接穿过。
合著者、华盛顿大学牛津博士后学者Giles Eperon表示，高效的串联设备将由两个理想匹配的电池组成。
“能量缺口较大的电池会吸收能量较高的光子，产生额外的电压，”Eperon说。“能隙更小的电池可以收集第一个电池没有收集到的光子，仍然产生电压。”
事实证明，更小的差距对科学家来说是更大的挑战。通过合作，Eperon和Leijtens使用锡、铅、铯、碘和有机材料的独特组合，制造了一种能量差距小的高效电池。
“我们开发了一种新的钙钛矿，可以吸收低能红外光，转换效率为14.8%，”Eperon说。“然后，我们将其与由类似材料组成但能量差距更大的钙钛矿电池相结合。”
结果：由两块钙钛矿电池组成的串联装置的综合效率为20.3%。
“有数千种可能的钙钛矿化合物，”Leijtens补充说。"但是这种化合物非常有效，比以前的任何物质都好得多."
求稳定
钙钛矿的一个问题是它的稳定性。由硅制成的屋顶太阳能电池板通常可以使用25年或更长时间。然而，一些钙钛矿在暴露于水分或光线时会迅速降解。在以前的实验中，发现由锡制成的钙钛矿特别不稳定。
为了评估稳定性，研究小组将两个实验电池放置在212华氏度(100摄氏度)的温度下4天。
“至关重要的是，我们发现我们的电池具有优异的热稳定性和大气稳定性，这对于锡基钙钛矿来说是前所未有的，”作者写道。
“我们的系列设备的效率已经远远超过了其他由低成本半导体制造的最佳系列太阳能电池，如有机小分子和微晶硅，”McGehee说。"那些看到潜力的人意识到这些结果是惊人的."
Snaith表示，下一步是优化材料的成分，以吸收更多的光并产生更高的电流。
“一旦可制造性和可接受的稳定性得到确认，钙钛矿的多功能性，材料和制造的低成本，以及现在实现非常高的效率的潜力，将彻底改变光伏产业，”他说。
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