更稳定、环保的 太阳能电池

太阳能是目前发展最快的电力来源，但目前常用的硅基太阳能电池已接近其理论最高效率和成本降低极限。城大任广禹教授（李兆基讲座教授（材料科学））一直致力开发更稳定、环保的钙钛矿及有机太阳能电池，任教授认为这类电池具有广阔的应用前景，有望取代硅，成为光伏科技的未来。

作为一类新型材料，杂化钙钛矿具有许多理想特性，如在光伏太阳能电池中吸收光并将其转化为电流的效率很高。目前，杂化钙钛矿已成为了太阳能电池领域的热词。

可打印的太阳能电池

作为钙钛矿和太阳能电池研究领域的重要专家和高被引学者，任教授指出，钙钛矿太阳能电池的研究起步于大约十年前，但其光电转换效率已由3.8%大幅提高至25.5%，可与50多年前开发的硅基太阳能电池相媲美。

钙钛矿效率高，合成方法简单，既可通过低成本溶液加工法实现，也可由低成本溶液制成。“就像报纸印刷中使用的墨水一样，这种溶液可以‘打印’在塑料薄膜上作为柔性太阳能电池，也可以涂抹在窗户上，看起来像有色玻璃，但却能发电，应用潜力巨大。” 任教授说。

但是钙钛矿太阳能电池的不稳定性和潜在的环境影响问题还有待克服。钙钛矿中的含铅成分对环境的潜在污染是人们关注的主要担忧之一。任教授解释：“例如，随着太阳能电池老化，铅成分可能会从电池中泄漏，并通过雨水渗入土壤。”

任教授与化学系徐政涛教授和朱宗龙博士一起，带领团队将二维金属-有机框架应用于钙钛矿太阳能电池，以此来解决铅泄漏等问题。

减轻铅泄漏的保护层

金属- 有机框架层是一种多功能蜂窝状结构。它具有半导体性质，能“捕获”重金属离子形成不溶于水的络合物,减轻铅泄漏。它还可以作为一个保护层，防止水分和氧气，同时保持高效率。金属-有机框架层器件的光电转换效率（超过22%）和开路电压在目前反向平面钙钛矿太阳能电池功能转化效率中最高。

此外，金属-有机框架层提供了优越的长期操作稳定性。该设备在8 5 ° C 连续光照下运行1 ，0 0 0 小时后，效率仍保持在初始的92%，达到了国际电工委员会的商品化标准。

任教授表示：“我们的发现为解决钙钛矿太阳能电池的稳定性和环境问题提供了一个综合解决方案，稳定性和环境问题是钙钛矿太阳能电池实现大规模应用的两大主要障碍。” 目前该团队正致力于进一步提高电能转换率，并探索降低生产成本的方法。

最高效的有机太阳能电池

任教授和朱博士还设计了各种有机、无机和杂化材料，用于不同类型的太阳能电池和光子器件。2020年9月, 他们与华盛顿大学合作开发的有机太阳能电池获得了可再生能源研究领域标杆测试实验室 — 美国国家可再生能源实验室“最佳研究-电池效率图表”的认可。经美国国家可再生能源实验室认证，其光电转换率达到17.5%，是当时有机太阳能电池中最高的。

 

虽然有机太阳能电池的能量转换效率不及钙钛矿太阳能电池，但任教授指出，有机太阳能电池的生产工艺比钙钛矿太阳能电池更环保，耗能更少。半透明有机太阳能电池还可应用于建材一体型太阳电池模板、温室玻璃屋顶板等建筑，实现电力自给自足。而有机太阳能电池的可折叠柔性无疑在新一代可穿戴电子设备中有着巨大的应用潜力。

任教授表示：“太阳能不再局限于屋顶上笨重坚硬的面板，这些新材料可以安装在任何地方，从建筑物和窗户上的涂料再到移动设备甚至服装，构成了一个可持续能源的集成系统。”

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