稳定不含铅的钙钛矿太阳能电池

由钙钛矿制成的太阳能电池是一种能够收集阳光并将其转化为电能的材料，具有替代硅太阳能电池的巨大潜力。尽管性能优越、效率高且制造成本低廉，但钙钛矿太阳能电池尚未面向消费市场进行商业化生产。

钙钛矿在与水分和氧气发生反应或暴露在光、热或长时间使用时会分解，导致人们担心钙钛矿太阳能电池中存在的少量铅(一种有毒重金属)可能会污染环境当太阳能电池损坏或丢弃时。

铅来自钙钛矿材料和用于制造钙钛矿太阳能电池组件(称为覆盖层)的化合物。

现在，新加坡南洋理工大学(NTUSingapore)和新加坡科学技术研究局(A*STAR)材料研究与工程研究所(IMRE)的科学家们的研究提供了基于封盖材料的可能性关于用于制造钙钛矿太阳能电池的无毒金属。

他们的研究于2023年2月发表在NatureEnergy上，由南大高等研究院院长兼南大理学院副院长(研究)沈子谦教授和南大理学院院长林英明教授领导。材料科学与工程，可以使钙钛矿太阳能电池更接近市场。

钙钛矿太阳能电池由多层材料制成，包括收集光的钙钛矿层和覆盖层。覆盖层涂在钙钛矿层上，以保护太阳能电池免受热和湿气等环境压力的影响，并提高电池的性能。

为了制造锌基覆盖层，研究人员溶解了化学物质并将溶液涂在手套箱中的钙钛矿层上。在涂层之前，手套箱保护钙钛矿免受环境中的氧气和水分的影响。图片来源：新加坡南洋理工大学。

为了确保覆盖层与下面的钙钛矿层兼容，研究人员通常使用一种称为半前体(HP)方法的方法来制造覆盖层。其中一种前体化学品首先沉积在钙钛矿层的顶部，钙钛矿层提供另一种前体。通过称为阳离子交换反应的过程，沉积的前体随后与下方钙钛矿层中存在的铅离子发生反应，形成构成覆盖层的铅基化合物。

作为HP方法的结果，铅也存在于保护性覆盖层中。一种能够在覆盖层中使用无毒金属的方法将改变钙钛矿太阳能电池的游戏规则。

为了使钙钛矿太阳能电池更加环保，NTU科学家设计了一种称为全前驱体(FP)溶液法的方法来合成不含铅的覆盖层。

使用FP方法，科学家们用含有金属卤化物盐(由金属和氯、氟和碘等元素制成的化合物)和通常应用于钙钛矿以提高钙钛矿太阳能性能的苯乙基碘化铵(PEAI)的溶液涂覆钙钛矿细胞。PEAI含有铵，这是一种带正电的离子，含有氮和氢，对化学反应至关重要。

锌基化合物引领潮流

研究人员发现，使用该方法合成的锌基化合物PEA2ZnX4是其他测试材料中最有效的封端材料。

与HP方法不同，当使用FP方法时，不需要从下面的钙钛矿层中吸收铅离子来形成这种保护性覆盖层。这为在覆盖层中使用无毒金属铺平了道路。

据研究人员称，FP工艺在制造覆盖层方面也比HP方法更有效，因为溶液中的化学物质能够直接在钙钛矿表面相互反应。

为了制造用PEA2ZnX4覆盖的太阳能电池，研究人员首先将卤化锌盐和PEAI溶解在一种称为乙腈的溶剂中，该溶剂通常用于工业应用。然后，他们将溶液沉积到附着在导电玻璃基板上的快速旋转的钙钛矿层上，形成薄而均匀的层——这一过程称为旋涂。

将涂层钙钛矿在100摄氏度下加热10分钟，以将覆盖层结合到钙钛矿表面。然后，研究人员使用了一种称为真空蒸发的工艺，在该工艺中，材料在真空室中被加热以产生蒸汽，蒸汽沉积在涂层钙钛矿上，以合成钙钛矿太阳能电池的其他层。

使用FP方法，科学家们制造了一个1英寸x1英寸的原型太阳能电池，上面覆盖着锌基化合物。

科学家们使用电子显微镜和光谱学检查了锌基覆盖层，发现它不会影响下面的钙钛矿层的电性能。覆盖层还有助于覆盖钙钛矿层表面的缺陷并提高其光捕获能力。

研究人员表示，他们的方法有助于使钙钛矿太阳能电池更加环保。例如，该方法可以与目前正在探索的无铅钙钛矿材料一起使用，用于开发废弃时不会释放有毒金属的太阳能电池。

该方法还开启了设计覆盖层成分以提高钙钛矿太阳能电池性能的可能性。

“使用钙钛矿太阳能电池的最大缺点之一是它们对环境的影响。通过在覆盖层中使用锌和其他无毒金属，我们的创新可能解决阻碍钙钛矿太阳能广泛使用的主要障碍细胞，”该研究的主要研究人员之一、南洋理工大学物理与数学科学学院研究员叶森云博士说。

共同主要作者、南大材料科学与工程学院研究员饶海霞博士说：“由于我们的方法不需要从钙钛矿中提取铅离子，因此可以使用多种材料来提高钙钛矿太阳能电池的稳定性和效率。”

研究人员发现，制造的太阳能电池在将太阳光转化为能量方面与传统的钙钛矿太阳能电池一样有效。在模拟太阳光的实验中，太阳能电池可以将捕获的24.1%的光转化为电能，接近钙钛矿太阳能电池迄今为止实现的最高效率。相比之下，硅太阳能电池的最高认证光转换效率为25.2%。

“覆盖层是钙钛矿太阳能电池的重要组成部分。这种形成覆盖层的新方法是设计具有增强性能的钙钛矿太阳能电池的一个重要里程碑，”光子学和界面实验室主任MichaelGrätzel教授说。瑞士洛桑联邦理工学院，他没有参与这项研究。

该原型还展示了良好的重现性，在测试的103个电池中平均光转换率接近23%。它的使用寿命很长，在满负荷运行1,000多个小时后，其将光能转化为电能的能力保持在90%以上。

与没有覆盖层的设备相比，该设备的性能在高温下也更稳定。

“通过扩展可使用的材料库，我们的发现为开发用于覆盖层的优质材料、更高效、更稳定的钙钛矿太阳能电池开辟了新的机会，”Sum教授说。“这种无铅保护性封盖方法还可以扩展到其他应用，如钙钛矿发光设备、激光器和探测器。”

Lam教授补充说：“由于化石燃料正在迅速消耗，我们需要更好地利用太阳能等可再生能源。环保且稳定的钙钛矿太阳能电池可能是答案，这项创新有可能推动更广泛地采用钙钛矿用于收集太阳能的太阳能电池。”

科学家们正致力于扩大制造全尺寸太阳能电池的方法。他们还正在向NTU新加坡的创新和企业公司NTUitive申请专利。

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