混合钙钛矿中的氢...

加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员发现了限制太阳能电池性能的缺陷

加州大学圣塔芭芭拉分校工程学院材料系的研究人员发现了导致新一代太阳能电池效率受到限制的主要原因。

以前被认为是杂化钙钛矿的晶格中的各种可能缺陷是造成这种局限性的潜在原因，但人们认为有机分子（负责“杂化”绰号的成分）将保持完整。尖端的计算现已表明，这些分子中缺少氢原子会导致大量的效率损失。研究结果发表在4月29日的《自然材料》杂志上，题为《最小化氢空位以实现高效的混合钙钛矿》。

混合钙钛矿的卓越光电性能给人们带来了极大的兴奋，因为它们具有发展太阳能电池技术的潜力。 “杂化物”是指将有机分子嵌入无机钙钛矿晶格中，其晶体结构与钙钛矿矿物（钙钛氧化物）的晶体结构相似。这些材料的功率转换效率可与硅媲美，但生产成本却便宜得多。然而，已知钙钛矿晶格中的缺陷会以热的形式产生不必要的能量耗散，从而限制了效率。

许多研究团队一直在研究这种缺陷，其中包括加州大学商学院（UCSB）材料教授chris Van de Walle小组，该小组最近在一个前所未有的地方发现了一个有害的缺陷，即有机分子，从而取得了突破。

 “甲基铵碘化铅是典型的混合钙钛矿。”该项目的首席研究员谢章(Xie Zhang）解释说, “我们发现，打破其中一个键并去除甲基铵分子上的氢原子非常容易。由此产生的'氢空位'充当了电荷的吸收器，这些电荷是由光落而产生的，这些电荷在晶体中移动当这些电荷被闲置时，它们将无法再进行有用的工作，例如给电池充电或为电动机供电，从而降低了效率。”

这项研究是由Van de Walle集团开发的先进计算技术促成的。这种最新的计算提供了有关材料中电子的量子力学行为的详细信息。参与研究的Van de Walle研究小组的一名高级研究生Mark Turiansky帮助建立了复杂的方法，可以将这些信息转换为定量的电荷载流子俘获率值。

Turiansky说：“我们的团队已经创建了强有力的方法来确定哪些过程会导致效率降低，并且很高兴看到该方法为一类重要的材料提供了如此有价值的见解。”

 “这些计算就像一种理论上的显微镜，它使我们能够以比实验所能达到的分辨率高得多的分辨率观察材料。”Van de Walle解释说， “它们还构成合理材料设计的基础。通过反复试验，发现用甲which代替甲基铵分子的钙钛矿表现出更好的性能。我们现在可以将这种改进归因于氢缺陷形成的事实。在甲ami鎓化合物中不太容易。

 “这些计算就像一个理论显微镜，使我们能够以比实验更高的分辨率观察材料。” Van de Walle解释说，“它们也构成了合理材料设计的基础。通过反复试验，发现甲脒取代甲铵的钙钛矿具有更好的性能。我们现在可以把这种改进归因于氢缺陷在甲脒化合物中不太容易形成的事实。”

他补充道：“这一发现为经验证明甲脒是实现高效太阳能电池的关键这一观点提供了明确的理论基础。”基于这些基本的见解，制造这种材料的科学家可以制定出抑制有害缺陷的策略，从而进一步提高太阳能电池的效率。”