冲绳科学技术研究所提出制造高效、低价太阳能电池的新方法

图片来源：冲绳科学技术研究所
Zonghao Liu博士（左）和Yabing Qi教授（右）以及他们在OIST实验室开发的5 cm×5 cm钙钛矿太阳能电池组件。

长期以来，太阳能一直被认为是取代我们对化石燃料依赖的最有可持续性发展的选择，但将太阳能转化为电能的技术则必须具备两个条件：高效与廉价。

冲绳科学技术研究所（OIST）能源材料和表面科学部的科学家们认为，他们已经找到了可以用来制造低成本、高效率太阳能电池的新方法。来自OIST的Yabing Qi教授和他的团队与中国陕西师范大学的Shengzhong Liu教授合作，利用模拟天然矿物钙钛矿晶体结构的材料和化合物开发了这些电池。他们将这一科研成果发表在了“Nature Communications”杂志上，在文章中有详细描述。

在Qi Yabing教授所说的“金三角”中，太阳能电池技术需要满足三个条件才值得商业化：太阳光转化为电能的比率必须高，生产成本必须低廉，电池的寿命必须长。如今，大多数商业化太阳能电池是由晶体硅制成的，其效率相对较高，约为22％。虽然这些太阳能电池的原材料“硅”很丰富，但加工过程往往很复杂，并且会增加制造成本，使成品价格昂贵。

Qi Yabing教授说，钙钛矿提供了一种更实惠的解决方案。2009年，日本横滨Toin大学的Tsutomu Miyasaka教授的研究团队首次将钙钛矿用于制造太阳能电池，从那以后，它的重要性迅速增加。Qi Yabing教授解释说：“对钙钛矿基电池的研究非常有前景。仅仅9年时间，这些电池的效率就从3.8％提高到了23.3％。其他技术经过30多年的研究才达到同样的水平。”他和他的研究团队开发的制造方法生产的钙钛矿太阳能电池具有与晶体硅电池相当的效率，但它可能比制造硅太阳能电池要便宜得多。

为了制造新的电池，研究人员在透明导电基材上涂上了钙钛矿薄膜，这些薄膜可以非常有效地吸收阳光。他们使用了一种基于气固反应的技术，首先在基板上涂上一层三碘化氢铅，并加入少量氯离子和甲胺气体，这样他们就可以重复地制造大型地均匀的电池面板，每个电池面板由多个太阳能电池组成。

在开发该方法时，科学家们意识到，使钙钛矿层厚度为1μm可以显著提高太阳能电池的工作寿命。“太阳能电池在工作了800小时后性能几乎没有变化。”在OIST的Qi教授研究部门的博士后学者兼这项研究的第一作者Zonghao Liu说。此外，较厚的涂层不仅提高了太阳能电池的稳定性，而且简化了制造工艺，从而降低了生产成本。Liu博士说： “更厚的吸收层确保了太阳能电池制造的良好再现性，这是在现实工业规模设置中大规模制造的一个关键优势。”

Qi教授及其团队现在面临的最大挑战是将如何将他们新设计的太阳能电池的尺寸从0.1 mm大小的原型增加到可以长达数英尺的大型商用电池面板，这是这个行业可以提供帮助的地方。Qi教授说：“在实验室和现实中的研究结果之间存在很大的差距，并且这个行业并不总是准备好自己来弥补这一差距。因此，研究人员需要在实验室之外采取一个更必要的步骤，并在中途进行工业化。”

为了迈出这一步，Qi教授及其团队在他们的概念验证项目下获得了OIST技术开发和创新中心的慷慨资助。有了这笔资金，该团队已经建立了一个新的钙钛矿太阳能电池组件的工作模型，该模块由5cm×5cm基板上的多个太阳能电池组成，有效面积为12 cm2，比实验样机大得多，但小于商用所需的尺寸。虽然升级过程将电池的效率从20％降低到了15％，但研究人员乐观地认为，在未来的几年里，他们将能够改进他们的工作方式，并成功将其用途商业化。

文章来自phys网站，原文题目为Perovskite solar cells leap toward commercialization，由材料科技在线汇总整理。