牙膏能降低钙钛矿太阳能电池的不稳定性 转换效率达21.46%

咖啡，作为一天工作提神的利器，渐渐已成为很多人生活中的必需品。咖啡能提神，主要依靠它的活性成分咖啡因——一种黄嘌呤生物碱化合物，化学名全称为1,3,7-三甲基黄嘌呤。咖啡因是一种中枢神经兴奋剂，能够暂时帮助人们驱走睡意保持清醒。有趣的是，咖啡因的功用还不止于此。加州大学洛杉矶分校（UCLA）杨阳教授研究团队发现，咖啡因也能让钙钛矿太阳能电池“提神醒脑”，从而展现出更高的光电转换效率和更好的稳定性（Joule,2019，DOI:10.1016/j.joule.2019.04.005）。

图1.（A）咖啡因的分子结构，（B-C）咖啡因与钙钛矿的相互作用。图片来源：Joule

最近，北京大学周欢萍教授团队和荷兰埃因霍温技术大学迪弗能源研究所、特文特大学合作，正在寻求利用氟离子来降低钙钛矿太阳能电池的不稳定性和降解性，开发出一种基于钙钛矿的太阳能电池，其转换效率为21.46%，据说这种太阳能电池在经历了1000小时的极端光照和高温后,仍然保持了90%的效率。相关成果以《Cationandanionimmobilizationthroughchemicalbondingenhancementwithfluoridesforstablehalideperovskitesolarcells》为题，发表在《NatureEnergy》杂志上。

研究人员称，在电池制造过程中，通过在钙钛矿层中添加氟化钠，可以使电池获得更长的寿命。“借助第一原理性、密度泛函理论计算，我们认为，通过与周围铅离子和有机阳离子的特殊化学键，氟离子抑制了卤化物阴离子和有机阳离子之间空隙的生成，"他们在研究论文中解释。

钙钛矿太阳能电池工作原理

科学家们说,氟离子在钙钛矿晶体单元中的作用方式与其在牙膏中的行为相似,氟化物离子在晶体周围形成保护层,防止有害缺陷的扩散。

钙钛矿晶体结构

尽管如此，目前钙钛矿太阳能电池离商业化任然很远。

与其他卤素相比,氟离子较小的尺寸和高电负性被认为是其有效改善钙钛矿晶体单元稳定性的主要原因。

科学家们说，钙钛矿晶体可能还需要五到十年的时间才能达到商业生产。计算能量研究中心的研究员ShuxiaTao说：“对于为什么有些材料在提高这些晶体单元的长期稳定性方面比其他材料更有效,我们仍然没有所有的答案。”

最近,加州大学圣地亚哥分校、加州大学洛杉矶分校和中国模块制造商Solargiga以及荷兰格罗宁根大学和北京大学的另一个团队也进行了类似的研究。

尽管有前景的研究项目激增,但钙钛矿太阳能电池的稳定性、耐用性和成本对于商业化的技术可行性仍然存在问题。