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钙钛矿型太阳能电池国际研究动态

供稿人:温一村  供稿时间:2018-5-31   关键字:钙钛矿  太阳能电池  

钙钛矿型太阳能电池是第三代太阳能电池中最热门的研究方向,短短几年时间就超过了非晶硅、染料敏化、有机太阳能电池等新一代薄膜电池在过去十多年内研究所取得的高度,被Science评为2013年度十大科学突破之一,更是诺贝尔化学奖的有力候选。 

目前来看,瑞士、英国和韩国在钙钛矿型太阳能电池光电效率研究领域保持领先,中国通过引进海外人才和本土培养人才双管齐下,也已经站在了该领域世界第一梯队之中,例如 “十三五”国家自然科学基金委员会重大项目“钙钛矿材料多功能原理及其耦合新效应”、国家重点研发计划项目——“高稳定性、全光谱、高效率太阳能电池材料探索和器件实现”(上海科技大学)、科技部政府间合作项目“高效率有机-无机钙钛矿太阳能电池的研究”(中国科学院青岛生物能源与过程研究所)、国家重大科学研究计划课题(973)“钙钛矿型太阳电池的基础研究”(南京工业大学)等多个项目均为国内钙钛矿型太阳能电池材料的研究提供了很好的支持。

钙钛矿型太阳能电池自染料敏化太阳能电池而来,因此该领域的很多领军人物都来自染料敏化太阳能电池,比如Michael Grätzel更有“染料敏化太阳能电池之父”之称,这也决定了这些领军人物所在的研究小组普遍在太阳能电池领域有很深的积累;此外,不同实验室之间的合作也非常常见,并产生了众多重量级研究成果,例如Nam-Gyu Park与Michael Grätzel合作的spiro-MeOTAD材料等。国际上具有代表性的钙钛矿型太阳能电池研究团队包括:

1)瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)

瑞士洛桑联邦理工学院的Michael Grätzel是钙钛矿型太阳能电池研究领域的领军人物,首创两步连续沉积法制备钙钛矿薄膜,并与韩国成均馆大学研究小组合作,首次将HTM引入到钙钛矿太阳能电池中,目前该小组保持的认证效率记录为21.02%(0.105 cm2)和19.6%(1.00 cm2)。在2017年10月发表的研究中,通过引入由薄层石墨烯氧化物保护的CuSCN作为无机HTM,大大提高了电池的稳定性,初始效率超过20%的钙钛矿电池在60℃、持续全日照1000小时的环境下,依然可维持在初始效率的95%以上,这是目前钙钛矿太阳能电池稳定性的最好结果,预计将有大量后续研究跟进。

2)英国牛津大学

2012年,英国牛津大学的Henry J. Snaith采用宽禁带介孔Al2O3取代传统n型半导体介孔TiO2制备出全球首个“介孔超结构”钙钛矿太阳能电池,证实了介孔TiO2在钙钛矿器件中的非必要性,实现了从传统介观钙钛矿太阳能电池向平面钙钛矿太阳能电池的过渡,当选2013年“《自然》十大人物”之一,获得2017年度科睿唯安化学“引文桂冠奖”,创立的牛津光伏公司被MIT Technology Review杂志评为“2017年度全球最具创新力50家公司”之一,目前公司公布的认证电池产品效率达到20.1%(2014年),钙钛矿在串联层应用中可达到28%的转换效率,可用于标准玻璃镀膜设备,总资本达到3000万英镑。

3)韩国成均馆大学

2012年,韩国成均馆大学的Nam-Gyu Park与EPFL合作,采用固态空穴传输材料spiro-MeOTAD取代传统染料敏化太阳能电池(DSSCs)中的液态电解质制备出全球首个全固态钙钛矿太阳能电池,器件稳定性显著提升,是高效钙钛矿太阳能电池的开端,获得2017年度科睿唯安“引文桂冠奖”。目前Nam-Gyu Park研究小组正在通过多种方法开发高效、耐用和大面积钙钛矿太阳能电池,比如尺寸控制、结构控制等。

4)韩国蔚山国家科学技术大学

蔚山国家科学技术大学的Sang Il Seok在高质量钙钛矿薄膜制备方面的研究非常突出,其研究小组的钙钛矿太阳能电池效率经过第三方国际认证,连续多次入选Martin A. Green主编的“solar cell efficiency tables”(2014-2018年),目前Sang Il Seok小组保持的认证效率记录为22.7%(0.0935 cm2)和20.9%(0.991 cm2),这两项均是最新世界纪录(Version 51)。

5)日本桐荫横滨大学

2009年,日本桐荫横滨大学的Tsutomu Miyasaka首次选用有机-无机杂化的钙钛矿材料CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3取代传统DSSCs中的染料作为新型光敏化剂,制备出首个真正意义的钙钛矿太阳能电池,从此拉开了钙钛矿吸光材料的序幕。Tsutomu Miyasaka的研究工作在该领域具有奠基性意义,是2017年度科睿唯安“引文桂冠奖”化学领域得主之一。目前,Tsutomu Miyasaka的研究工作范围比较广泛,钙钛矿太阳能电池也是他关注的焦点之一,具体包括IV曲线滞后机理以及其对电池稳定性的影响,不同金属氧化物材料对电池性能的影响,甲基铵-甲脒(MA-FA)杂化钙钛矿电池,以及混合卤化物钙钛矿太阳能电池。

6)上海交通大学

韩礼元[1]曾制备出首个大面积高效反式平面结构钙钛矿电池,研究范围包括空穴阻挡层、钙钛矿膜沉积、无掺杂空穴传输材料、纯相甲基铵-甲脒(MA-FA)杂化钙钛矿以及反式结构钙钛矿电池等。其第三方国际认证的钙钛矿太阳能电池曾连续三次入选Martin A. Green主编的“solar cell efficiency tables”(2015年-2016年)。目前韩礼元和杨旭东所带领的研究小组保持的认证效率记录为20.65%(0.249 cm2)、19.19%(1.025 cm2)和12.07%(36.13 cm2),其中36.1 cm2下12.07%的认证效率是第一个大面积钙钛矿模块效率世界纪录,提供了一种新型的无溶剂免真空制备大面积均匀钙钛矿薄膜的方法,意味着未来钙钛矿光伏技术有了走出实验室、实现大规模产业化的可能。

7)武汉理工大学

程一兵[2]首创反溶剂萃取制备钙钛矿薄膜的工艺,该工艺具有极其深远的意义。程一兵实验室的研究方向包括钙钛矿电池的稳定性,钙钛矿太阳能电池的微观机构,钙钛矿/硅叠层太阳能电池,新型钙钛矿及其功能层材料等。目前该小组保持的认证效率记录为19.43%(0.16 cm2)、柔性钙钛矿太阳能电池组件11.4%(14.3 cm2)、玻璃基板钙钛矿太阳能电池组件13.98%(57.2 cm2)。

8)杭州纤纳光电科技有限公司

杭州纤纳光电科技有限公司成立于2015年7月,是一家致力于商业化钙钛矿太阳能电池的创新型科技公司。公司由三位本科毕业于浙大的85后海归博士联合创立,姚冀众、杨旸和颜步一分别毕业于伦敦帝国理工学院、加州大学洛杉矶分校和沙特国王科技大学。其最新的微组件(16.29 cm2)效率达到17.4%,第三次刷新了自己保持的世界纪录(Version 51)。目前纤纳光电已经完成了A轮6000万元人民币的融资,正在着手组建全球首条20MW钙钛矿太阳能电池生产线,预计在2018年年中完成安装调试,开始量产。 


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