研究人員解決了低成本太陽能電池批量生產中的重大挑戰

一支由大學研究人員組成的國際團隊今天報告說，解決鈣鈦礦電池的主要制造挑戰是硅基太陽能電池的潛在挑戰者。

這些晶體結構具有很大的前景，因為它們可以吸收幾乎所有波長的光。鈣鈦礦型太陽能電池已經進行了小規模的商業化，但是最近功率轉換效率(PCE)的巨大改進正促使人們將其用作太陽能電池板的低成本替代產品。

在今天在線出版的2018年6月28日《納米尺度》(Nanoscale)的封面文章中，研究小組揭示了一種新的可擴展方法，該方法可將關鍵成分應用于鈣鈦礦電池以解決一些主要的制造挑戰，該方法具有可擴展性。研究人員能夠以一種新的方式(噴涂)在鈣鈦礦型光伏電池中應用關鍵電子傳輸層(ETL)，從而使ETL具有優越的電導率以及與其相鄰的鈣鈦礦層的牢固界面。

該研究由紐約大學丹東工程學院化學與生物分子工程系的副教授安德烈·D·泰勒(AndréD. Taylor)，論文的第一作者，北京大學研究員鄭逸凡領導。合著者來自中國電子科技大學，耶魯大學和約翰·霍普金斯大學。

多數太陽能電池是材料的“三明治”，其層狀結構使得光入射到電池表面時，它會激發帶負電荷的材料中的電子，并通過將電子移向帶正電荷的“孔”的晶格來建立電流。在具有簡單平面取向的鈣鈦礦太陽能電池(稱為“ pin”(或倒置時為壓區))中，鈣鈦礦構成了帶負電的ETL和帶正電的空穴傳輸層(HTL)之間的捕光本征層(引腳中的“ i”) 。

當帶正電和帶負電的層分開時，該體系結構的行為類似于Pachinko的亞原子游戲，其中來自光源的光子從ETL驅散不穩定的電子，從而使它們落向三明治的正HTL側。鈣鈦礦層加速了該流動。鈣鈦礦因其對空穴和電子的強親和力和快速的反應時間而成為理想的本征層，而商業規模的制造已證明具有挑戰性，部分原因是難以在鈣鈦礦的晶體表面上有效地施加均勻的ETL層。

研究人員選擇化合物[6,6]-苯基-C(61)-丁酸甲酯(PCBM)是因為其作為ETL材料的良好記錄，并且由于在粗糙層中使用PCBM可以提高電導率，降低成本-可穿透的界面接觸，并增強了光陷阱。泰勒說：“很少有關于平面引腳設計的ETL選項的研究。” “平面電池的主要挑戰是，如何以不破壞相鄰層的方式實際組裝它們?”

最常見的方法是旋轉澆鑄，該方法包括旋轉單元并允許向心力將ETL流體分散在鈣鈦礦基質上。但是該技術限于小的表面，并導致不一致的層，降低了太陽能電池的性能。旋轉鑄造對于通過諸如卷對卷制造的方法的大型太陽能電池板的商業生產也是不利的，否則柔性銷平面鈣鈦礦結構非常適合于此。

研究人員轉而使用噴涂，該噴涂可在大面積上均勻地施加ETL，適用于制造大型太陽能電池板。他們報告說，與其他ETL相比，效率提高了30%(從13%的PCE到17%以上)，而且缺陷更少。泰勒補充說：“我們的方法簡潔，可重復性高且可擴展。這表明噴涂PCBM ETL可以對于改善鈣鈦礦太陽能電池的效率基準并為不久的將來破紀錄的針狀鈣鈦礦太陽能電池提供理想的平臺，具有廣泛的吸引力。”