美國國家可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory;NREL)與中國上海交通大學(SJTU)攜手,共同致力於混合鹵化物鈣鈦礦太陽能電池研究。研究人員們將這種混合鹵化物鈣鈦礦太陽能電池置於一種特殊的甲基溴化胺溶液(MABr)中,為其修復缺陷並提高效率,從而使帶有微小孔洞與小顆粒的粗糙鈣鈦礦薄膜搖身一變,成為不帶任何孔隙的高品質的鈣鈦礦薄膜。

這一過程可使鈣鈦礦薄膜在轉換陽光時的效率提高到19%,同時也使製造過程更可靠。其他採用真空的製程增強方式則達到了20%,同時操縱晶粒邊界則可實現30%的轉換效率。

鈣鈦礦薄膜的生長一般使用形成晶體的前體化學物質溶劑,然後暴露於可移除前體溶液的第二抗溶劑,這種快速結晶的過程幾乎可視為是一種藝術。NREL的研究人員發現,由於適當增加抗溶劑的時間有限,很容易就會錯過,而使得鈣鈦礦晶體形成不連續且不均勻的晶體形態等缺陷。這明顯降低了鈣鈦礦太陽能電池的效率。

研究人員採用一種名為「Ostwald熟化」的新製程。這是指較小型的晶體溶解,然後沉積成為更大晶體的過程。研究人員藉由MABr溶液處理鈣鈦礦,從而導入了「Ostwald熟化」過程。在此過程中,研究人員證實溶液的量十分重要,理想情況約2mg/ml。

「透過Ostwald熟化過程,由不同薄膜品質形成了大小尺寸不一的奈米晶體,然後生長成為帶有同樣大型晶體尺寸的無孔洞鈣鈦礦薄膜。」研究人員表示,「因此,這種新的人途徑增強了對於原始鈣鈦礦薄膜品質的耐受度,同時也提升了元件製造的可再現性。」

品質改善後的鈣鈦礦可讓太陽能電池更穩定,使轉換效率約14%的未經處理電池提升至17%的轉換效率,而以MABr溶液處理的太陽能電池效率還可提高至19%以上。

該研究的細節已發佈於《自然通訊》(Nature Communications)期刊中的「以CH3NH3Br選擇性Ostwald熟化為高效率太陽能電池簡化大型晶粒CH3NH3PbI3-xBrx薄膜的製造」(Facile Fabrication of Large-Grain CH3NH3PbI3-xBrx Film for High-Efficiency Solar Cells via CH3NH3Br Selective Ostwald Ripening)一文。這項研究是美國SunShot計劃的一部份,其目標在於降低太陽能電力成本至每千瓦時約6美分。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Perovskite solar cell process boosts efficiency, manufacturing,by Nick Flaherty)