具有极高的性价比和高性能的电池材料

现在，佐治亚理工学院，加利福尼亚大学圣地亚哥分校和麻省理工学院的研究人员已经报道了关于钙钛矿太阳能电池的新发现，这些研究结果可以引领出更好的设备。

“钙钛矿太阳能电池具有很多潜在优势，因为它们非常轻，可以用柔性塑料基板制造，”佐治亚理工学院材料科学与工程学院助理教授Juan-PabloCorrea-Baena说。“然而，为了能够在市场上与硅基太阳能电池竞争，它们需要更高效。”

在2月8日发表在“科学”杂志上并由美国能源部和国家科学基金会赞助的一项研究中，研究人员更详细地描述了如何在传统钙钛矿中添加碱金属以获得更好的性能。

加州大学圣地亚哥分校的纳米工程教授大卫芬宁说：“钙钛矿可以真正改变太阳能游戏。”“他们有可能在不放弃业绩的情况下降低成本。但是，从根本上学习这些材料还有很多东西要做。”

要了解钙钛矿晶体，将其晶体结构视为三元组是有帮助的。三元组的一部分通常由元件引线形成。第二种通常由有机组分如甲基铵组成，第三种通常由其它卤化物如溴和碘组成。

近年来，研究人员一直致力于测试不同的配方以提高效率，例如在结构的铅组分中添加碘和溴。后来，他们尝试用铯和铷代替通常被有机分子占据的钙钛矿部分。

Correa-Baena说：“我们从早期的研究中了解到，向混合溴和碘钙钙钛矿中添加铯和铷会带来更好的稳定性和更高的性能。”

但很少有人知道为什么添加这些碱金属会改善钙钛矿的性能。

为了理解为什么它似乎有效，研究人员使用高强度X射线测绘来检测纳米尺度的钙钛矿。

“通过观察钙钛矿材料中的成分，我们可以看到每个元素如何在提高器件性能方面发挥作用，”加州大学圣地亚哥分校纳米工程博士生Yanqi(Grace)Luo说。

他们发现，当将铯和铷加入到混合的溴和碘铅钙钛矿中时，它会使溴和碘更均匀地混合在一起，导致转化效率比没有这些添加剂的材料高出2%。

“我们发现化学和结构的均匀性有助于钙钛矿太阳能电池以最大的潜力运行，”芬宁说。“该骨干中的任何异质性都像链中的薄弱环节。”

即便如此，研究人员还观察到，虽然添加铷或铯会使溴和碘变得更均匀，但卤化金属本身在其自身阳离子中仍然相当聚集，在太阳能电池中产生无活性的“死区”，不会产生电流。

“这令人惊讶，”芬宁说。“拥有这些死区通常会杀死一个太阳能电池。在其他材料中，它们就像黑洞一样吸收来自其他地区的电子，永远不会让它们消失，所以你会失去电流和电压。

“但是在这些钙钛矿中，我们看到铷和铯周围的死区对太阳能电池性能没有太大的损害，尽管目前有一些损失，”芬宁说。“这表明这些材料有多强大，但也有更多的改进机会。”

这些发现增加了对基于钙钛矿的器件如何在纳米尺度下工作的理解，并为未来的改进奠定了基础。

“这些材料具有极高的性价比和高性能，这正是我们确保光伏板广泛部署所需要的，”Correa-Baena说。“我们希望尝试抵消气候变化问题，因此我们的想法是让光伏电池尽可能便宜。”电池比氢或传统柴油的充电时间长的多。使用柴油，加一分钟的油可以为一辆大型卡车提供20英里的行驶里程，而使用氢气，注一分钟的氢气可以提供12英里的行驶里程。但对于电池驱动的卡车来说，充电一分钟只能行驶3英里。照此计算下来，一辆卡车行驶500英里，加柴油需要25分钟，加氢需要42分钟，但电动卡车充电可能需要两个半小时以上。(马斯克曾表示，特斯拉正在研发“超级快充”充电站，可以在30分钟内为其未来半挂卡车提供400英里的续航里程，但与此同时充电成本肯定也会大幅上涨。)

再者就是重量优势。电池的重量一直是电池无法逃避的短板。重量是里程的大敌，通过增加电池来提高续航，让越来越多的能量被电池重量所抵消和浪费。比如40吨电池动力卡车，500公里续航需要8吨电池。这个数字确实让人难以置信。然而燃料电池组却更轻，更易于操作。氢燃料电池动力传动系统的重量可与柴油发动机相媲美，来自丰田的专家甚至说，或许会更轻。并且单位重量氢气的能量是柴油燃料的三倍。