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钙钛矿太阳能电池是如何工作的?钙钛矿太阳能电池面临哪些难点?

来源: 21ic
2021-11-25
类别:基础知识
eye 40
文章创建人 拍明

原标题:钙钛矿太阳能电池是如何工作的?钙钛矿太阳能电池面临哪些难点?

钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cell, PSC)的工作原理主要是基于光生伏打效应,将太阳光能转化为电能。具体过程可以分为以下几个步骤:

  1. 吸收光子:当太阳光照射到钙钛矿电池上时,电池中的半导体材料(即钙钛矿层)会吸收光子,这些光子具有足够的能量将电子从钙钛矿材料的价带激发到导带,从而在价带留下空穴,形成电子-空穴对。

  2. 载流子分离与传输:被激发的电子(称为自由电子)会从钙钛矿材料中逃逸出来,而空穴则留在钙钛矿层中。随后,自由电子和空穴分别通过不同的路径(电子通过电子传输层,空穴通过空穴传输层)传输到电池的电极上。

  3. 电荷收集与输出:在透明导电基板和透明阴极之间形成的原电池中,自由电子和空穴分别向相反的方向移动,形成电流。这个电流可以通过外部电路输出,用于供电或其他用途。

  4. 载流子复合与损失:在传输过程中,部分自由电子和空穴可能会重新结合在一起,导致能量损失。为了提高电池的效率,研究人员正在寻找降低载流子复合的方法。


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钙钛矿太阳能电池面临的难点

尽管钙钛矿太阳能电池在效率和成本方面具有显著优势,但其商业化进程仍面临多个难点:

  1. 稳定性问题

    • 钙钛矿材料对湿度、温度等环境因素较为敏感,容易导致性能衰退。目前,钙钛矿太阳能电池的T80寿命(即效率下降至初始值的80%)约为4000小时,远低于晶硅电池的25年寿命。

    • 稳定性差的原因包括吸湿性、热不稳定性、离子迁移等内部因素,以及紫外线、光照等外部因素。

  2. 效率提升与大面积制备

    • 尽管实验室中钙钛矿电池的效率已经非常高(如单结钙钛矿电池的最高转化效率达到了25.7%),但工业界的大尺寸钙钛矿电池转化效率仍在16%左右,远低于实验室水平。

    • 大面积制备工艺不成熟,难以在保证效率的同时实现大面积均匀覆盖。

  3. 材料毒性与环保问题

    • 目前最常用的钙钛矿材料含有铅元素,存在环境污染风险。如何降低或消除铅的使用,开发无铅或低毒性的钙钛矿材料是亟待解决的问题。

  4. 制备工艺与成本控制

    • 钙钛矿电池的制备工艺相对复杂,需要精确控制多个参数以实现高质量薄膜的制备。这增加了生产成本,并限制了其大规模生产的可能性。

为了克服这些难点,研究人员正在积极探索新的材料、工艺和技术,以提高钙钛矿太阳能电池的稳定性、效率和可制造性。同时,政府和企业也在加大投入力度,推动钙钛矿电池的商业化进程。


责任编辑:David

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