奥地利研究团队开发出超薄钙钛矿太阳能电池 或可用于电动汽车

盖世汽车讯 据外媒报道，奥地利综合大学林茨约翰开普勒大学（Johannes Kepler University Linz）研究团队开发出卤化铅钙钛矿太阳能电池，其厚度小于2.5 μm，冠军特定（ champion specific）光伏功率密度为44 W/g，且平均密度为41 W/g，能够将其集成到模块中，为手掌大小的四轴飞行器式无人机提供动力。

图片来源：林茨约翰开普勒大学

该技术在多项标准测试中表现出良好的稳定性，并且具有足以为车辆电池充电的能量收集潜力。相关研究发表于期刊《nature energy》，名为“具有高比功率和可提高能源自主无人机稳定性的柔性准二维钙钛矿太阳能电池（Flexible quasi-2D perovskite solar cells with high specific power and improved stability for energy-autonomous drones）”。

该研究的大面积光伏模块尺寸为24平方厘米，使无人机能够自主运行，“超出了单次电池充电所能实现的范围，同时消除了对接、系留充电或其他形式的人类参与的需要。”钙钛矿太阳能模块仅占无人机总重量的1/400。

该小组测试了顶部钙钛矿吸收层中的几种α-甲基苄基碘化铵（MBA）组合，其中PEDOT:PSS结合了空穴传输和电极功能。研究人员表示，各种MBA配方中寿命最长的成分包括铯（Cs），这表明“由于MBA和Cs的存在，非辐射复合途径减少”。

这种基材是一种“超薄”且不含透明导电氧化物的1.4 μm厚聚合物箔，涂有一层100 nm氧化铝。它有效地充当了水分和气体的“屏障”。

“这种类型的设备没有空间采用典型的封装方法，因为这种方法太厚了。相反，该团队依靠MBA钙钛矿顶层的大而笨重的晶体结构来有效钝化表面，而对于基板，采用原子层沉积（ALD）工具涂覆的氧化铝层可以起到保护免受外部条件影响的作用，但仍然保持轻便和灵活，”研究负责人Martin Kaltenbrunner表示。

事实上，该论文指出，例如，与甲基铵碘化铅（MAPbI3）器件的参考设计相比，“经测量，涂层超薄基板的水蒸气透过率（WVTR）降低了约35%”。

钙钛矿电池的其他特征包括由苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）制成的电子传输层和氧化钛夹层，以及金属顶部接触，该小组指出，金属顶部接触可以互换地由金或铬制成/金，或低成本铝。

“在我们的钙钛矿太阳能研究中，使用以尽可能少的步骤合成的前体非常重要。直接合成是关键，因为我们希望该技术具有可扩展性并控制材料生产成本，”Kaltenbrunner说。

该研究的小面积钙钛矿太阳能电池尺寸为0.1 cm2，开路电压为1.13 V，短路电流密度为21.6 mA cm−2，填充因子为74.3%，功率转换效率为18.1%。冠军电芯（champion cells）的开路电压为1.15 V，填充因子为78%，效率为20.1%。

较大的器件的有效电池面积为1.0 cm2，平均开路电压为1.11 V，短路密度为20.0 mA cm−2，填充因子为65.9%，效率为14.7。研究团队表示，冠军设备（champion device）的效率达到了16.3%。

为无人机供电的模块有24个相互连接的1 cm2太阳能电池。这款能源自主混合太阳能商用四轴飞行器重量仅为13克。其稳定性和长时间的户外可操作性经过了测试。例如，在环境空气中连续最大功率点跟踪（MPPT）50小时后，小面积和大面积未封装太阳能电池分别保持了初始性能的90%和74%。此外，外部实验室验证了钙钛矿组合物的性能和特性。

该团队声称，它展示了“使用准二维钙钛矿活性层的更广泛的优势”，并且它优于“该领域的其他组合物”，并补充说，超轻量钙钛矿太阳能技术的性能、稳定性和可用性是一种“便携式且具有成本效益的可持续能量收集”解决方案。

作为无人机充电系统，该电池是航空航天和地面应用“永久运行飞行器开发”道路上的一步。

该团队计划沿着这些方向进行进一步的研究。“我们将继续致力于开发AlOx阻挡基板技术、可扩展的沉积技术，并扩大到更大的模块，尺寸至少为10厘米X 10厘米。我们致力于开发轻质、灵活的光伏解决方案，为各种机器人和自动驾驶汽车提供动力。”Kaltenbrunner说道。“可部署、灵活的太阳能光伏发电在地球和太空应用中都具有巨大的潜力。”