科学家发现“新钙钛矿制造技术”可能导致家庭太阳能电池普及生产

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新的钙钛矿制造技术可能导致大规模的太阳能电池生产

如上图一种新的钙钛矿制造工艺可能导致太阳能电池的批量生产和家庭普及。

由于台湾和美国的研究人员已经发现钙钛矿制造工艺的简单变化，因此高性能太阳能电池的批量生产很快就会变得容易。

研究人员证明该技术可提高钙钛矿微型模块的功率转换效率和使用寿命。他们的创新很快就会为大规模生产钙钛矿型太阳能电池开辟新的道路，使其成为现有硅基电池的有力竞争者。

钙钛矿材料被广泛认为是低成本，大面积太阳能电池最有希望的候选材料。由于其出色的光电性能，最近的实验表明在0.5cm2的面积上转换效率高达22％，到目前为止钙钛矿薄膜的难以制造要求阻碍了较大规模的类似性能。

当前制造过程通常涉及将抗溶剂滴到已经旋涂到衬底上的钙钛矿前体上。理想情况下此技术可以创建具有均匀，高质量晶体结构的薄膜。

但是必须严格控制工艺条件，并且必须在初始沉积后仅9s的时间范围内使用抗溶剂，否则所得的钙钛矿薄膜可能会粗糙且不均匀，从而降低其作为太阳能电池的性能。随着胶片变大，实施此过程变得越来越困难。

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新型抗溶剂

通过提供解决这个问题，研究团队引入了一种显着拓宽沉积后时间窗口的技术。他们使用环丁砜作为抗溶剂来完成此操作，这使他们能够在实验中制造出均匀，高质量和大面积的钙钛矿薄膜。

为了研究导致这种改善的分子机制，他们使用X射线衍射和红外光谱技术研究了涉及的化学反应。

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咖啡因增强钙钛矿太阳能电池

他们发现环丁砜分子与钙钛矿前体离子之间的氢键作用显着减慢了结晶过程，从而将添加反溶剂的时间窗延长至90s。这使得紧凑高度均匀的晶体结构可以在不那么严格的加工条件下形成。为了证明这一改进研究人员制造了钙钛矿型太阳能电池微型组件，有效面积为36.6cm2。

他们的设备实现了非常可观的功率转换效率，超过16％，并且在50°C的温度下工作250小时后即保持了其初始性能的90％左右（此时该设备提取了最大可能的功率）。

如此高的效率和较长的使用寿命，在更加灵活的制造条件下，为大规模钙钛矿太阳能电池的生产奠定了基础。研究团队希望这项技术能很快在商业上广泛使用，甚至可能成为硅基太阳能电池的可行竞争对手从而提振可再生太阳能的前景。

研究人员用咖啡因增强了太阳能电池。

加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）的研究人员通过向其添加意想不到的成分–咖啡因，成功改善了金属卤化物钙钛矿太阳能电池的性能和热稳定性。他们说这项技术可能在扩大这些太阳能电池的生产中起重要作用。

无机杂化卤化物钙钛矿（PVSK）具有ABX3结构，其中A为铯甲基铵（MA），B为铅或锡，X为氯、溴或碘。由于其独特的光电特性，它们是制造太阳能电池的有前途的硅替代品，非常适合许多应用。与由硅制成的太阳能电池相比，它们还更便宜，更灵活，并且更易于制造（例如，以溶液为基础的前体，而不是固态晶体）。

研究人员设法将这些材料的功率转换效率从仅3.8％提高到23％以上。这使其性能可与诸如硅，砷化镓和锑化镉之类的成熟技术相媲美。尽管取得了令人印象深刻的进步，但是无机杂化卤化物钙钛矿的长期稳定性仍然很差，并阻碍了太阳能电池的商业化。

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钙钛矿薄膜迅速变质

在这方面基于铯甲基铵的无机杂化卤化物钙钛矿是最佳候选材料，因为这些材料的四方黑相在低温下稳定。而在较高温度下挥发性铯甲基铵有机阳离子，这意味着钙钛矿膜迅速劣化并沉淀出三角形碘化铅。

更糟的是无机钙钛矿在众多协调离子作用下（如在大多数离子晶体的情况下）意思是-离子容易迁移虽然有多晶颗粒，甚至析出钙钛矿层得到在太阳能电池与所述金属电极干涉设备暴露的热量中。这个过程会产生缺陷，缺陷充当晶界处的非辐射复合位点从而降低了太阳能电池的性能。

最后无规取向的钙钛矿微晶可能会导致垂直方向上的电荷传输不佳。随机取向是由于合成时钙钛矿薄膜快速且不可控制地生长的结果。

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咖啡因增强

加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系的杨扬领导的一个研究小组现已表明，1,3,7-三甲基黄嘌呤是一种含有两个共轭羧基的化学商品，其俗称咖啡因广为人知，它可以改善性能和热性能。

直接添加到钙钛矿薄膜中时基于钙钛矿的太阳能电池具有较高的稳定性，该材料技术也适用于钙钛矿纳米技术。通过这种类型的钙钛矿有包含黑相纳米晶薄膜，在室温下的热力学有利于热量的融合。

研究团队成员薛晶晶回忆说向这些材料中添加咖啡因的想法最初是开个玩笑，因为早上得起来喝咖啡补充能量。

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改进的电子性能和“分子锁”

由于咖啡因中只有羰基电子对，因此咖啡因与钙钛矿前体发生了强烈的相互作用-我们通过傅立叶变换红外光谱法证实了这一作用。

这种强相互作用增强了钙钛矿结晶的活化能，并阻碍了钙钛矿的结晶，导致钙钛矿薄膜具有较好的取向和改善的电子性能从而更有效地将光转换为电。”

那还不是全部由于咖啡因是非挥发性的，因此它保留在钙钛矿薄膜内并在其中形成“分子锁”，从而使该分子与Pb2+离子发生强烈相互作用。这种相互作用阻止了钙钛矿在高温下的降解。增强的结晶度还抑制了离子迁移，这也有助于大大增强的热稳定性。

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功率转换效率高达20.25％

含咖啡因的钙钛矿薄膜的出色结晶度降低了缺陷密度，并改善了垂直电荷传输，使冠军效率高达20.25％（相比之下，不含咖啡因的薄膜为17％）。含咖啡因的装置在85°C的温度下也能保持1300小时以上的热稳定性（一般而言不含咖啡因的薄膜温度维持仅150小时）。

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钙钛矿设备创下新纪录

太阳能电池显然是在阳光下工作因此必须使其具有耐热性。研究结果表明咖啡因可在85°C连续加热1300小时后，帮助钙钛矿细胞保持其原始效率的85％以上。研究人员称他们相信计划实施的策略将来有助于推动这些材料的商业化。”

团队小组最近也在寻找最适合这些材料的钝化剂用来进一步提高其稳定性和效率。最后将专注于从这些薄膜制作高质量的大面积样品，以用于家庭太阳能电池的普及。