“分子胶”使钙钛矿电池更可靠

布朗大学的研究人员使用自组装单层膜来增加太阳能电池的功能寿命

美国布朗大学的研究团队朝着提高钙钛矿太阳能电池的长期可靠性迈出了重要的一步。在《科学》杂志上发表的一项研究中，研究小组展示了一种“分子胶”，它可以防止电池内部的关键界面降解。这种处理可以极大地提高电池随时间的稳定性和可靠性，同时还可以提高将太阳光转化为电能的效率。

 “在提高钙钛矿型太阳能电池的功率转换效率方面取得了长足进步。” 布朗大学工程学教授，这项新研究的资深作者尼丁·帕迪克特（Nitin Padture）说，“但是，在技术广泛可用之前要克服的最后一个障碍是可靠性-即制造出能够长期保持其性能的电池。这是我的研究小组一直在努力的事情之一，我们很高兴报告一些重要的进展。”

十几年前，研究人员表明钙钛矿非常善于吸收光，这引发了对钙钛矿太阳能电池的大量新研究。这些电池的效率迅速提高，现在可以与传统的硅电池媲美。不同之处在于钙钛矿型光吸收剂可以在接近室温的条件下制成，而硅则需要在接近2700华氏度的温度下从熔体中生长出来。钙钛矿薄膜的厚度也比硅晶片薄约400倍。相对容易的制造过程和较少材料的使用意味着钙钛矿电池可以以硅电池成本的一小部分制造出来。

但是使电池更稳定和可靠仍然具有挑战性。问题的一部分与制造功能电池所需的分层有关。每个电池包含五个或更多不同的层，每个层在发电过程中执行不同的功能。由于这些层由不同的材料制成，因此它们对外力的反应不同。同样，在制造过程和使用期间发生的温度变化可能会导致某些层比其他层膨胀或收缩得更多。这会在层接口处产生机械应力，从而导致各层解耦。如果接口受损，则单元的性能就会急剧下降。

 “链条的强度仅取决于其最薄弱的环节，我们将此接口确定为整个堆栈中最薄弱的部分，在那里最有可能发生故障。”布朗（Brown）分子与纳米级创新研究所的负责人Padture说， “如果我们能够加强这一点，那么我们就可以开始真正提高可靠性。”

为此，Padture利用他作为材料科学家的经验，开发了用于飞机发动机和其他高性能应用的先进陶瓷涂层。他和他的同事开始尝试使用被称为自组装单分子层（SAMs）的化合物进行实验。

“这是一大类化合物，” Padture说。 “当您将它们沉积在表面上时，这些分子将自身组装成一层，并像短发一样竖立起来。通过使用正确的配方，您可以在这些化合物与各种不同的表面之间形成牢固的结合。”

Padture和他的团队发现，一侧含硅原子而另一侧含碘原子的SAM配方可以与电子传输层（通常由氧化锡制成）和钙钛矿型光吸收层形成强键。研究小组希望由这些分子形成的键可以加强层界面。他们是对的。

“当我们将SAMs引入界面时，我们发现它使界面的断裂韧性提高了约50％，这意味着在界面处形成的任何裂纹都不会传播得很远，” Padture说, “因此，实际上，SAM成为一种将两层粘合在一起的分子胶。”

对太阳能电池功能的测试表明，SAMs显著增加了钙钛矿电池的功能寿命。为研究准备的非SAM电池在约700小时的实验室测试中保留了其峰值效率的80％。同时，在经过1300小时的测试后，SAM电池仍然保持坚固。根据这些实验，研究人员预计SAM电池80％的有效寿命约为4,000小时（约166天）。

“我们做过的另一件事是人们通常不会做的，是我们在测试后打开了电池，”布朗博士生，这项研究的第一作者戴正宏说, “在没有SAMs的对照电池中，我们看到了各种各样的损坏，例如空隙和裂缝。但是有了SAMs，强化的接口看起来确实不错。这是一个巨大的进步，确实让我们感到震惊。”

Padture表示，重要的是，韧性的提高并不是以功率转换效率为代价的。事实是，SAMs确实少量提高了电池效率。发生这种情况是因为SAMs消除了在没有SAMs的情况下两层结合时形成的微小分子缺陷。

 “提高功能性器件的机械完整性的首要原则是'不造成伤害'。” Padture说，“因此我们可以在不损失效率的情况下提高可靠性，甚至可以提高效率，这真是一个惊喜。”

SAMs本身由容易获得的化合物制成，并易于在室温下通过浸涂工艺进行涂覆。 Padture说，因此添加SAMs可能不会增加生产成本。

研究人员计划在这一成功的基础上继续前进。既然他们已经加强了钙钛矿太阳能电池堆中最薄弱的环节，他们想进入下一个最弱的环节，然后是下一个，依此类推，直到他们强化了整个电池堆。这项工作将不仅要加强界面，而且要加强材料层本身。最近，Padture的研究小组从美国能源部获得了150万美元的资助，以扩大研究范围。

Padture说：“这种研究是使电池价格低廉，高效且性能良好数十年所必需的。”