碱金属能提高钙钛矿太阳能电池性能

作者：GeorgiaInstituteofTechnology

钙钛矿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。钙钛矿太阳能电池有很多值得研究的地方。因为它们生产简单，成本低廉，具有灵活性，可以满足一系列新的安装方法和场所，而且近年来已达到接近传统硅基电池的能效。

但是要想弄清楚如何生产出能持续数月以上的钙钛矿基能量器件是一个挑战。

现在，乔治亚理工学院、加州大学圣地亚哥分校和麻省理工学院的研究人员报告了有关钙钛矿太阳能电池的新发现，这些发现可能会引导人们找到性能更好的设备。

佐治亚理工学院材料科学与工程学院的助理教授JuanPabloCorreaBaena说：“钙钛矿太阳能电池具有很多潜在的优势，因为它们非常轻，可以用柔性塑料基板制造。然而，要想在市场上与硅基太阳能电池竞争，它们需要更高效。”

2月8日发表在《科学》杂志上的一项研究（由美国能源部和国家科学基金会赞助），研究人员更详细地描述了如何将碱金属添加到传统钙钛矿中的机制，从而获得更好的性能。

加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授大卫·芬宁说：“钙钛矿确实可以改变太阳能的游戏。他们有潜力在不放弃业绩的情况下降低成本。但从根本上了解这些材料还有很多东西。”

为了理解钙钛矿晶体，把它的晶体结构看成三元晶体是很有帮助的。三元晶体的一部分通常由元素铅构成，第二种通常由有机成分（例如甲基铵）组成，第三种通常由其他卤化物（例如溴和碘）组成。

近年来，研究人员致力于测试不同的配方，以获得更好的效率，例如在铅结构的成分中添加碘和溴。后来，他们尝试用铯和铷替代钙钛矿中通常被有机分子占据的部分。

CorreaBaena说：“我们从早期的研究中知道，在混合溴和碘铅钙钛矿中加入铯和铷可以获得更好的稳定性和更高的性能。”

但人们对添加这些碱金属改善钙钛矿性能的原因知之甚少。

为了确切地理解为什么这么做似乎有效，研究人员使用高强度X射线测绘在纳米尺度上检查钙钛矿。

加州大学圣地亚哥分校（UCSanDiego）纳米工程博士生Yanqi（Grace）Luo说：“通过观察钙钛矿材料中的成分，我们可以看到每一种元素如何在提高设备性能方面发挥作用。”

他们发现，当铯和铷添加到混合有溴和碘的钙钛矿铅中时，会使溴和碘更均匀地混合在一起，导致转化效率比没有这些添加剂的材料高出2%。

芬宁说：“我们发现，化学和结构的一致性有助于钙钛矿太阳能电池发挥其最大潜能。任何主干中的异质性都像是链中的薄弱环节。”

即便如此，研究人员也观察到，尽管添加铷或铯会使溴和碘变得更均匀，但卤化物金属本身在其阳离子中仍然相当聚集，在不产生电流的太阳能电池中形成了不活动的“死区”。

“这太令人惊讶了，”芬宁说。这些死区通常会使太阳能电池衰减直至无效。在其他材料中，它们的行为就像黑洞一样，从其他区域吸收电子，永远不会让它们离开，所以你会失去电流和电压。

芬宁说：“但在这些钙钛矿中，我们发现，铷和铯周围的死区对太阳能电池的性能没有太大的损害，尽管目前存在一些损失。这表明这些材料有多坚固，但还有更多的改进机会。”

这些发现增加了人们对钙钛矿基器件在纳米尺度上的工作方式的理解，并为未来的改进奠定了基础。

CorreaBaena说：“这些材料具有很高的性价比和高性能，这正是我们确保广泛部署光伏电池板所需要的。我们想设法抵消气候变化的问题，所以我们的想法是让光伏电池尽可能便宜。”