从3篇《科学》论文中学什么?院士详解

近年来,钙钛矿型太阳能电池的研究领域非常热门。就在三月份,《科学》杂志连续发表了四篇关于钙钛矿太阳能电池的研究论文,包括三篇关于钙钛矿和硅叠层太阳能电池的文章,代表了该领域的科学前沿。

钙钛矿太阳能电池的科学热点是什么?相关的解决方案是什么?最近发表的文章对热门科学问题有什么贡献?带着这些问题,4月15日,《中国科学报》采访了中国科学院院士、中国科学院化学研究所研究员李永方。

“这三篇采用叠层技术的文章值得关注,并可能在未来进一步提高商用硅太阳能电池的能量转换效率,但目前国内在这方面的研究还不多。”李永方指出,“国内研究人员应重视钙钛矿/硅叠层太阳能电池的研究,特别是在现有硅太阳能电池生产线技术的基础上发展钙钛矿/硅叠层太阳能电池的生产技术。同时,他们需要研究堆叠钙钛矿太阳能电池对原始硅太阳能电池的稳定性和寿命的影响。”

中国科学新闻:为什么钙钛矿太阳能电池如此受欢迎?

李永方:钙钛矿太阳能电池是一种光伏器件,它使用一种新型钙钛矿型有机金属卤化物半导体作为光电转换的光吸收材料。近年来,钙钛矿型太阳能电池发展迅速,能量转换效率超过25%,具有溶液处理成本低、应用潜力大的优点。

在潜在的应用领域,它的竞争对手是硅光电池。今天的商业光伏市场份额主要由硅光伏电池占据,因为它可以稳定地提供超过18%的模块能量转换效率,超过25年的使用寿命和0.3美元/瓦的低成本,接近与电网的平价水平。

《中国科学新闻》:为了与硅光伏电池竞争,钙钛矿太阳能电池应该做哪些更科学的工作?

李永方:相比之下,新兴的钙钛矿太阳能电池在各个方面都需要更加成熟。除了效率,还应注意稳定性、大面积器件的生产工艺、材料成本和器件制备等。才能真正形成产业竞争力。

目前,提高稳定性应该是钙钛矿太阳能电池研究的重点,因为它是实现钙钛矿太阳能电池实际应用的关键。

《中国科学报》:最近三期《科学》发表的研究论文有什么特点?这对上述工作有帮助吗?

李永方:我花了一些时间仔细阅读了最近发表在《科学》杂志上的三篇前沿著作,它们都是针对钙钛矿光伏材料的另一个潜在应用:钙钛矿/硅叠层太阳能电池。堆叠技术是进一步提高光伏发电效率和降低成本的有效途径。

钙钛矿太阳能电池比硅太阳能电池能更有效地利用高能紫外和蓝绿色可见光,而硅太阳能电池能有效地利用钙钛矿材料不能吸收的红外光。因此,通过以堆叠方式组合这些高效的单电池,可以克服传统纯硅光伏电池的理论效率限制,并且可以进一步提高硅光伏电池的效率。

例如,科罗拉多大学团队3月6日发表的论文获得了迄今为止报道的钙钛矿/硅叠层太阳能电池的最高能量转换效率27%。

这项工作的焦点围绕着一个一直备受关注的问题:氯在混合钙钛矿中的功能和作用。研究人员采用了一系列的材料表征方法进行研究,并通过调整钙钛矿成分和氯气,结合在电池制备和集成过程中积累的经验,获得了这样的高效率和良好的稳定性。

同一天,多伦多大学、阿卜杜拉国王科技大学和其他团队联合出版了他们的作品。创新点在于有效简化叠层电池的连接技术,尤其是在复杂结构硅电池表面制备叠层器件的连接技术。对于商用硅太阳能电池,为了提高对太阳光的吸收和利用,大多在硅电池表面制备绒面结构。因此,本研究工作与商业化硅太阳能电池生产技术相结合具有潜在的优势和实用性。

3月26日,美国国家可再生能源实验室和首尔大学团队联合发表了他们的研究成果。这个想法仍然集中在钙钛矿/硅叠层太阳能电池中使用的宽带隙钙钛矿材料的调节上。这项创新是通过调节钙钛矿中的阴离子添加剂实现的,其效率也达到了26.7%,这也是世界领先水平。

中国科学新闻:这些工作的缺点是什么?

李永方:这三篇文章的研究重点并没有特别关注钙钛矿太阳能电池的稳定性。所报告的设备效率也是实验室中的小面积设备。目前还不确定这项技术是否能应用于商用硅太阳能电池。

除效率外,还应注意稳定性、与现有硅太阳能电池生产工艺的匹配性、工艺简化程度和材料成本,以及是否能同时提高大面积太阳能电池的效率等。

《中国科学新闻》:中国研究人员可以借鉴哪些经验?

李永方:这种钙钛矿/硅系列叠层太阳能电池确实是进一步提高硅太阳能电池效率的有效手段。它可以结合传统硅电池成熟的生产技术优势,在此基础上进一步提高能量转换效率。通过对集成工艺的优化,为高效钙钛矿/硅叠层太阳能电池的未来应用提供了进一步的思路。

目前,中国在钙钛矿太阳能电池领域处于前沿,一些公司也开展了大面积器件制备和应用研究。然而,国内研究人员尚未对硅和钙钛矿叠层太阳能电池进行大量研究。

国内研究者应重视钙钛矿/硅叠层太阳能电池的研究。中国硅太阳能电池的生产技术水平处于世界领先地位。商用硅太阳能电池的产量占全球产量的50%以上。钙钛矿/硅叠层太阳能电池的生产技术应在现有硅太阳能电池生产线技术的基础上发展,以进一步提高商用硅太阳能电池的光电转换效率。

同时,有必要研究和解决堆叠钙钛矿电池后形成的堆叠器件对硅太阳能电池稳定性和寿命的影响。

相关论文信息:https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1097? RSS = 1

https://science . science mag . org/content/early/2020/03/25/science . ABA 3433

https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1135

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