合肥研究院自主研发可自我修复的钙钛矿太阳电池

光电材料是用于制造各种光电设备(主要包括各种主、被动光电传感器光信息处理和存储装置及光通信等)的材料，主要包括红外材料、激光材料、光纤材料、非线性光学材料等。光电转换材料的工作原理是将相同的材料或两种不同的半导体材料做成PN结电池结构，当太阳光照射到PN结电池结构材料表面时形成新的空穴-电子对在p-n结电场的作用下空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区?接通电路后就形成电流。这就是光电材料的工作原理。

近日，合肥研究院固体所将聚乙烯吡咯烷酮引入钙钛矿吸光材料，使得制作的太阳电池具有较强的自修复功能，不仅显著提升了电池的工作寿命，还使得钙钛矿薄膜缺陷减少，晶粒增大，提高了电池的光电转化效率。

聚乙烯吡咯烷酮简称PVP，是一种非离子型高分子化合物，是N-乙烯基酰胺类聚合物中最具特色，被研究得最深、最广泛的精细化学品。已发展成为非离子、阳离子、阴离子3大类，工业级、医药级、食品级3种规格，相对分子质量从数千至一百万以上的均聚物、共聚物和交联聚合物系列产品，并以其优异独特的性能获得广泛应用。

钙钛矿型太阳能电池是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池，也称作新概念太阳能电池。

太阳能电池是一种通过光电效应或者光化学反应直接把光能转化成电能的装置。1839年, 法国物理学家Becquerel发现了光生伏特 效应，1876年，英国科学家Adams等人发现，当太阳光照射硒半导体时，会产生电流。这种光电效应太阳能电池的工作原理是，当太阳光照在半导体 p-n 结区上，会激发形成空穴-电子对(激子)在p-n结电场的作用下，激子首先被分离成为电子与空穴并分别向阴极和阳极输运。光生空穴流向p区，光生电子流向n区，接通电路就形成电流。

Fritts在1883年制备成功第一块硒上覆薄金的半导体/金属结太阳能电池, 其效率仅约 1%。1954 年美国贝尔实验室的 Pearson，Fuller和Chapin等人研制出了第一块晶体硅太阳能电池，获得4.5%的转换效率, 开启了利用太阳能发电的新纪元。

此后, 太阳能技术发展大致经历了三个阶段：第一代太阳能电池主要指单晶硅和多晶硅太阳能电池，其在实验室的光电转换效率已经分别达到25%和20.4%;第二代太阳能电池主要包括非晶硅薄膜电池和多晶硅薄膜电池。第三代太阳能电池主要指具有高转换效率的一些新概念电池, 如染料敏化电池、量子点电池以及有机太阳能电池等。

在接受太阳光照射时，钙钛矿层首先吸收光子产生电子-空穴对。由于钙钛矿材激子束缚能的差异，这些载流子或者成为自由载流子，或者形成激子。而且，因为这些钙钛矿材料往往具有较低的载流子复合几率和较高的载流子迁移率，所以载流子的扩散距离和寿命较长。

然后，这些未复合的电子和空穴分别被电子传输层和空穴传输层收集，即电子从钙钛矿层传输到等电子传输层，最后被ITO收集;空穴从钙钛矿层传输到空穴传输层，最后被金属电极收集，当然，这些过程中总不免伴随着一些使载流子的损失，如电子传输层的电子与钙钛矿层空穴的可逆复合、电子传输层的电子与空穴传输层的空穴的复合(钙钛矿层不致密的情况)、钙钛矿层的电子与空穴传输层的空穴的复合。要提高电池的整体性能，这些载流子的损失应该降到最低。最后，通过连接FTO和金属电极的电路而产生光电流。

钙钛矿作为一种人工合成材料，在 2009 年首次被尝试应用于光伏发电领域后，因为性能优异、成本低廉、商业价值巨大，从此大放异彩。近年，全 球顶尖科研机构和大型跨国公司，如牛津大学、瑞士洛桑联邦理工学院、日本松下、夏普、东芝等都投入了大量人力物力，力争早日实现量产。

2017 年 2 月，纤纳光电以 15.2%的转换效率，首次打破此前长期由日本保持的钙钛矿小组件的世界效率纪录。此后，分别在当年 5 月和 12 月，以 16%和 17.4%的转换效率实现了一年三破世界纪录的佳绩。这一次，他们又将钙钛矿小组件转换效率提升至 17.9%，稳态输出效率达 17.3%。该结果再一次证明了中国科学家在钙钛矿领域的技术领先优势。

新闻来源：合肥物质科学研究院

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