传统的太阳能电池是由硅制成的,它具有很高的效率和稳定性,但生产成本很高,而且只能在刚性的面板上制造。钙钛矿太阳能电池提供了一个令人感兴趣的替代方案;它们可以从油墨中打印出来,使其成本低、薄、重量轻、效率高。然而,它们在效率方面落后于硅太阳能电池,更关键的是稳定性,在正常环境下会出现故障。被称为二茂铁的新型含金属材料可能能够帮助解决这些问题。

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来自香港城市大学(CityU)的研究人员将伦敦帝国理工学院研究人员制造的二茂铁加入到钙钛矿太阳能电池中,极大地提高了其效率和稳定性。该成果于4月21日发表在《科学》杂志上。

共同第一作者、帝国理工学院化学系的Nicholas Long教授说:“硅电池高效但昂贵,我们迫切需要新的太阳能设备来加速向可再生能源过渡。稳定而高效的钙钛矿电池最终可以使太阳能被用于更多的应用–从为发展中国家供电到为新一代的可穿戴设备充电。”

“我们与香港同事的合作是非常偶然的,在我做了一个关于新的二茂铁化合物的演讲后,遇到了城大的朱宗龙博士,他让我送一些样品过去。在几个月内,城大的团队告诉我们结果是令人兴奋的,并要求我们发送更多的样品,开始了一项研究计划,其结果是更有效和更稳定的钙钛矿装置。”

钙钛矿形成了太阳能电池设备的”光收集”层。然而,与硅基太阳能电池相比,这些设备将太阳能转化为电能的效率较低,主要是因为电子的”流动性”较低–它们从采集层移动到电力转换层的能力较低。

二茂铁是以铁为中心,由碳的夹层环包围的化合物。二茂铁的独特结构在1952年首次被帝国理工学院的诺贝尔奖获得者杰弗里·威尔金森教授所认识,并且二茂铁至今仍因其独特的特性在世界各地被研究。它们的结构赋予它们的一个特性是出色的电子丰度,在这种情况下,电子可以更容易地从钙钛矿层移动到后续层,提高将太阳能转换为电能的效率。

城大团队和商业实验室进行的测试表明,添加了二茂铁层的钙钛矿装置的效率可以达到25%,接近于传统硅电池的效率。

但这并不是二茂铁基材料解决的唯一问题。帝国理工学院的团队一直在实验将不同的化学基团附着在二茂铁的碳环上,在向香港团队发送了由博士生Stephanie Sheppard制作的几个版本后,合作者发现了一个版本,该版本大大改善了钙钛矿层与设备其他部分的附着力。

这种增加的附着力提高了设备的稳定性,这意味着它们在以最大功率连续工作1500小时后,仍能保持其初始效率的98%以上。由于添加了二茂铁层而获得的效率和稳定性使这些钙钛矿装置接近于目前传统硅电池的国际标准。

来自城大的首席研究员朱宗龙博士说:“我们是第一个成功将倒置的钙钛矿太阳能电池提升到25%的创纪录高效率并通过国际电工委员会规定的稳定性测试的团队。”

该团队已经为他们的设计申请了专利,并希望获得许可,最终将他们的钙钛矿设备推向市场。同时,他们正在试验不同的二茂铁设计,以进一步提高设备的性能和稳定性。

 

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