中美大学携手提升30%钙钛矿光电转换效率

做为最受欢迎的可再生能源产业，太阳能光伏发电领域竞争激烈，身为后起之秀，钙钛矿太阳能电池正虎视眈眈盯着硅晶电池的太阳能市占率第一宝座。

美国纽约大学、耶鲁大学、约翰霍普金斯大学与中国北京大学、电子科技大学携手合作，近日宣布已突破当前钙钛矿电池商业化难题，将光电转换效率从13%提升到17%。

近年来科学家发现钙钛矿在太阳能光伏发电方面的应用潜力，使其光电转换效率在 9 年间提升 6 倍，从 2009 年的 3.8% 进步到如今的 22.7%，更有不少研究团队透过串叠设计将硅与钙钛矿结合，将光电转换效率突破至25%。

但世上也没那么双全的事情，钙钛矿并非全能的技术，该种太阳能电池含有毒元素铅、并存在遇热衰减问题，科学家也难以在钙钛矿晶体上均匀覆涂电子传输层(electron transport layer，ETL)。虽然现在科学家已研发出无铅或是无机钙钛矿解决部分问题，实验室电池的转换效率也逐年提高，更已达到小规模商业化，但如何使用低成本方式均匀覆涂 ETL 层，一直是科学家绞尽脑汁想突破的障碍。

太阳能光伏发电结构很像三明治、通常都是层层叠叠堆起，而钙钛矿电池由上至下为玻璃、导电玻璃 FTO、带负电的 ETL、光敏层、正电的空穴传输层(HTM)和金属电极，ETL 与 HTM 位置则会依据不同钙钛矿设计互换，而所谓的 PIN 结构即是 HTM→光敏层(i)→ETL。

纽约大学坦登工程学院化学与生物分子系助理教授 Andre D. Taylor 表示，这类电池当前挑战在于，要怎么组装才不会破坏电池其他结构?因此目前 PIN 的 ETL 设计研究非常少。

其中最为常见技术为旋涂法(spin-coating)，利用向心力将 ETL 溶液分布在钙钛矿基底上，但是这种技术仅限于小范围涂布，也不适合当今的卷对卷(roll-to-roll)大型钙钛矿制程，采用此方式也会让 ETL 分布不均匀，进而降低太阳能电池性能。

因此团队透过喷涂 ETL 方式，大大减少钙钛矿成本，并可利用该方式达成大范围覆涂，让科学家打造大型太阳能板之余，还可确保电池性能。为进一步提升电池性能，研究也利用化合物苯—丁酸甲基酯(PCBM)来改进导电性、提高光捕获性能。

与其他方式相比，钙钛矿光电转换效率已从 13% 提高到 17%、提升幅度高达 30%，研究更显示可大大减少电池缺陷。

Taylor 指出，团队的喷涂方法简洁、再现性佳(reproducible)又可扩大规模。采用该喷涂方式或许可大大改善钙钛矿太阳能电池效率，并有望为 pin 型钙钛矿太阳能电池技术铺路。该研究目前已发表在《Nanoscale》。