稳定无铅钙钛矿太阳能电池

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，作为硅太阳能电池的替代品具有巨大的潜力。

尽管钙钛矿太阳能电池具有卓越的性能、效率和制造成本，但尚未为消费市场进行商业制造。

钙钛矿在与水分和氧气反应或暴露在光、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)会在太阳能电池损坏或丢弃时污染环境。

铅来自钙钛矿材料和用于制造钙钛矿太阳能电池组件的化合物，称为封顶层。

现在，新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)和新加坡科技与研究局(A * STAR)材料研究与工程研究所(IMRE)的科学家的研究提供了基于无毒金属的封盖材料的可能性钙钛矿太阳能电池。

他们的研究于2023年<>月发表在《自然能源》上，由南洋理工大学高等研究院所长兼南洋理工大学理学院副院长(研究)Sum Tze Chien教授和南洋理工大学材料科学与工程学院院长Lam Yeng Ming教授领导，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几层材料制成，包括收集光的钙钛矿层和封盖层。封盖层涂覆在钙钛矿层上，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。

为了确保封端层与底层钙钛矿层兼容，研究人员通常使用一种称为半前驱体(HP)方法的方法制造封端层。其中一种前体化学物质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，沉积的前体然后与下方钙钛矿层中存在的铅离子反应，形成构成封端层的铅基化合物。

由于采用HP方法，铅也存在于保护封盖层中。一种能够在封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)溶液方法的方法，以合成不含铅的封盖层。

使用FP方法，科学家们用含有金属卤化物盐的溶液涂覆钙钛矿 - 由金属和包括氯，氟和碘在内的元素制成的化合物 - 以及通常用于钙钛矿的苯乙基碘化铵(PEAI)，以提高钙钛矿太阳能电池的性能。PEAI含有铵，铵是一种带正电荷的离子，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，一种锌基化合物PEA2锌4使用该方法合成的封盖材料是测试的其他材料中最有效的封盖材料。

与HP方法不同，当使用FP方法时，无需从下面的钙钛矿层中吸取铅离子来形成这种保护性封端层。这为在封盖层中使用无毒金属铺平了道路。

据研究人员称，FP工艺在制造封端层方面也比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。

制造用PEA封盖的太阳能电池2锌4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，以形成薄而均匀的层 - 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，将封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过程，其中材料在真空室中加热以产生沉积在涂层钙钛矿上的蒸汽，以合成钙钛矿太阳能电池的其他层。

使用FP方法，科学家们创建了一个1英寸乘1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封端层，发现它不会影响底层钙钛矿层的电性能。封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。

研究人员说，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。

该方法还开辟了工程封盖层组成以增强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。通过使锌和其他无毒金属用于封盖层，我们的创新可能解决阻碍钙钛矿太阳能电池广泛使用的主要障碍，“NTU物理与数学科学学院研究员Ye Senyun博士说。

共同主要作者，NTU材料科学与工程学院研究员Rao Haixia博士说：“由于我们的方法不需要从钙钛矿中提取铅离子，这使得使用多种材料来提高钙钛矿太阳能电池的稳定性和效率成为可能。

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钙钛矿太阳能电池一样有效。在模拟太阳光的光实验中，太阳能电池可以将24.1%的捕获光转化为电能，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%。

“封盖层是钙钛矿太阳能电池的重要组成部分。这种塑造封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，“瑞士洛桑联邦理工学院光子学和界面实验室主任Michael Grätzel教授说，他没有参与这项研究。

该原型还显示出良好的重现性，在测试的23个细胞中，平均光转化率接近103%。它的使用寿命很长，在满负荷运行超过90小时的情况下，保持了1%以上的将光转化为电能的能力。

与没有封盖层的设备相比，该器件在高温下的性能也更稳定。

“通过扩大可以使用的材料库，我们的发现为开发用于封顶层的优质材料，更高效和稳定的钙钛矿太阳能电池提供了新的机会，”岑教授说。“这种无铅保护封盖方法也可以扩展到其他应用，如钙钛矿发光器件、激光器和探测器。

林教授补充：「随着化石燃料迅速枯竭，我们需要更好地利用太阳能等可再生能源。环保和稳定的钙钛矿太阳能电池可能是答案，这种创新可能会推动钙钛矿太阳能电池在太阳能收集中的更广泛采用。

科学家们正在努力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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