莱斯大学的工程师们表示，他们已经解决了一个长期存在的难题——用卤化物钙钛矿制造稳定、高效的太阳能电池板。
需要找到合适的溶剂设计，在不破坏3D底部的情况下，应用所需成分和厚度的2D顶层(或反之)。这样的电池将更多的阳光转化为电能，比单独的任何一层都更稳定。
化学和生物分子工程师Aditya Mohite和他在莱斯大学乔治·r·布朗工程学院的实验室在《科学》杂志上发表报告称，他们成功地制造出了能提供24.5%能量转换效率的轻薄3D/2D太阳能电池。
Mohite说，这和大多数商业化的太阳能电池一样高效。
他说:“这对光线从两侧照射进来的灵活的双面细胞和背部接触的细胞都很好。”“2D的钙钛矿吸收蓝色和可见的光子，3D的钙钛矿吸收近红外。”
钙钛矿是一种具有立方体晶格的晶体，被认为是高效的光收集器，但这种材料往往受到光、湿和热的压力。莫海特和其他许多人多年来一直致力于使钙钛矿太阳能电池变得实用。
他说，新的进展在很大程度上消除了商业化生产的最后一个主要障碍。
根据美国莱斯大学的一项新研究，通过多道工序制造二维和三维钙钛矿层的高效太阳能电池可以通过溶剂简化，溶剂允许溶液沉积一层而不破坏另一层。图片来源:Jeff Fitlow/莱斯大学
“这在多个层面上都具有重要意义，”莫海特说。“其中之一是，当两层材料相同时，制造溶液处理双分子层从根本上来说是一项挑战。问题是它们溶于同一种溶剂。
“当你把2D层放在3D层上时，溶剂会破坏底层，”他说。“但我们的新方法解决了这个问题。”
Mohite说，2D钙钛矿电池是稳定的，但在转换阳光方面效率较低。3D钙钛矿效率更高，但稳定性较差。将它们结合在一起，就结合了两者的最佳特性。
他说:“这带来了非常高的效率，因为现在在该领域，我们第一次能够以极大的控制来创建层。”“它让我们不仅可以控制太阳能电池的电荷和能量流，还可以控制光电设备和led的能量流。”
他说，将测试细胞暴露在相当于实验室100%的阳光下超过2000小时，其效率“甚至不会下降1%”。不计算玻璃基质，细胞大约有1微米厚。
溶液加工广泛应用于工业中，包含了一系列技术——旋转涂层、浸镀、刀片涂层、槽模涂层和其他——将材料沉积在液体的表面上。当液体蒸发时，纯净的涂层保留了下来。
关键是要在溶剂本身的两个性质之间取得平衡:介电常数和古特曼供体数。介电常数是材料的电导率与其自由空间的比值。这决定了溶剂溶解离子化合物的能力。给电子数是衡量溶剂分子给电子能力的一个指标。
Mohite说:“如果你发现它们之间的相关性，你会发现大约有四种溶剂可以溶解钙钛矿并在不破坏3D层的情况下自旋包裹它们。”
他说，他们的发现应该与通常每分钟生产30米太阳能电池的卷对卷制造相兼容。
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安德鲁·托尔玛是莱斯大学的一名应用物理学研究生，他验证了这种电子2D/3D钙钛矿太阳能电池的nic结构。图片来源:Jeff Fitlow/莱斯大学 -
莱斯大学研究生Siraj Sidhik进行了一项实验，将双层钙钛矿细胞暴露在人造阳光下。莱斯实验室培育的细胞暴露在强光下2000小时，其效率下降不到1%。图片来源:Jeff Fitlow/莱斯大学
“这一突破首次引领钙钛矿器件异质结构包含多个活性层，”合著者、法国雷恩国家科学技术学院的物理学教授Jacky Even说。“用钙钛矿制造复杂半导体结构的梦想即将实现。新的应用和对新的物理现象的探索将是下一步。”
莫海特说:“这不仅对太阳能有影响，而且对绿色氢气也有影响，因为电池可以产生能量并将其转化为氢气。”“它还可以为汽车、无人机、建筑集成光伏甚至农业提供非电网太阳能。”
赖斯大学研究生Siraj Sidhik是这篇论文的主要作者。
