【重磅】新型太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率竟達(dá)22%

日本大阪大學(xué)與京都大學(xué)2016年8月4日宣布開發(fā)出了一種新方法，可結(jié)合使用數(shù)據(jù)科學(xué)性統(tǒng)計(jì)法，針對(duì)作為新一代太陽(yáng)能電池而備受期待的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，快速評(píng)估空穴輸送材料(將生成的空穴運(yùn)送至電極)的性能。與以往的元件評(píng)估相比，能以不到其1/10的時(shí)間進(jìn)行快速而穩(wěn)定的評(píng)估。

　　鈣鈦礦太陽(yáng)能電池由吸收光之后變成電荷(空穴和電子)的鈣鈦礦層、將空穴和電子分別分到陽(yáng)極和陰極的空穴輸送層等構(gòu)成。目前，這種電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到了可與無機(jī)太陽(yáng)能電池匹敵的22%，而且隨著這種電池對(duì)印刷工藝和低溫工藝的不斷適應(yīng)，價(jià)格也越來越低，重量越來越輕，因此成有望投入實(shí)用的新一代太陽(yáng)能電池。但要提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，高性能電荷輸送層的開發(fā)十分重要，而元件的性能牽涉到很多因素，因此，由有機(jī)高分子(聚合物)或低分子材料構(gòu)成的空穴輸送層的開發(fā)和性能評(píng)估要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，而且必須進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)。

　　此次開發(fā)的方法可利用將智能手機(jī)通信及微波爐等使用的微波和生產(chǎn)精密部件時(shí)使用的短脈沖激光組合到一起的測(cè)量裝置，2017澳大利亞國(guó)際太陽(yáng)能及儲(chǔ)能展覽會(huì)直接評(píng)估從鈣鈦礦發(fā)電層到空穴輸送層的空穴移動(dòng)效率。而且，還通過融合數(shù)據(jù)科學(xué)性統(tǒng)計(jì)法，提取了“決定性能的變量”。研究人員發(fā)現(xiàn)，初期空穴移動(dòng)效率和移動(dòng)速度的乘積與太陽(yáng)能電池元件的短路電流密度的關(guān)系最為密切，今后開發(fā)和評(píng)估新空穴輸送材料將變得更加容易。

　　此外研究人員還發(fā)現(xiàn)，不僅是高分子的種類，有無添加劑以及暴露到空氣中的時(shí)間長(zhǎng)短也會(huì)對(duì)空穴移動(dòng)效率產(chǎn)生影響。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池不僅會(huì)因?yàn)榕c空氣中的水分發(fā)生反應(yīng)而劣化，而且，光照及氧氣的影響有時(shí)也會(huì)使性能隨著時(shí)間的推移而提高，這是這種太陽(yáng)能電池特性中的一個(gè)未解之謎。此次，空穴移動(dòng)效率隨著暴露于空氣中的時(shí)間推移而逐漸上升的特性首次實(shí)現(xiàn)了定量化，有望為解開其他未解之謎提供線索。

　　目前轉(zhuǎn)換效率最高的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池含有對(duì)人體和環(huán)境有害的鉛，因此，非鉛鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的開發(fā)備受關(guān)注。但目前非鉛類電池的轉(zhuǎn)換效率很低，耐久性及穩(wěn)定性也存在很多問題。除了此次研究確立的指標(biāo)之外，還可以運(yùn)用材料信息學(xué)(MaterialsInformatics)，有效地探索電荷輸送層的新材料。

　　另外，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池還存在長(zhǎng)期劣化機(jī)構(gòu)、滯后(Hysteresis)等諸多未解之謎。以此次的研究為立足點(diǎn)，給出實(shí)驗(yàn)性的解答，并進(jìn)一步對(duì)新一代太陽(yáng)能電池等利用太陽(yáng)能的多樣性能源轉(zhuǎn)換材料進(jìn)行性能診斷，可以加快提高元件性能和查明基礎(chǔ)物性的研究。

　　此次的研究是作為日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)(JST)戰(zhàn)略性創(chuàng)造研究推進(jìn)業(yè)務(wù)的一環(huán)實(shí)施的。研究成果已于2016年8月2日發(fā)表在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)的期刊《ACSPhotonics》的網(wǎng)絡(luò)版上。