对钙钛矿性能的更多见解

研究人员发现“晶粒内平面缺陷”的性质和密度的变化与太阳能电池性能的变化相关

发表在《自然能源》（Nature Energy）上的一项新研究揭示了一种流行的钙钛矿型光吸收体中阻碍太阳能电池性能的缺陷的更多细节。研究人员发现，这些“晶内平面缺陷”的性质和密度的变化与太阳能电池性能的变化有关。

由莫纳什大学和武汉理工大学领导的一个国际研究小组的发现可能会改进太阳能电池技术，并为减少化石燃料的能源使用提供另一个步骤。

钙钛矿型光吸收剂有可能通过添加额外的层来提高现有硅太阳能电池的效率，该层可以吸收当前硅太阳能电池无法吸收的太阳光的颜色或部分能谱。

硅太阳能电池的最高性能约为容量的 32%。这意味着只有大约 32% 的太阳光可用能量可以被硅太阳能电池捕获。

将这种钙钛矿太阳能电池放置在称为串联太阳能电池的硅太阳能电池之上，可以有效地将堆栈的整体性能提高到大约 42%。

由于钙钛矿成分的微小变化可以相对容易地调整钙钛矿太阳能电池的吸收光谱，因此有可能制造出吸收较高能量光但让较低能量光通过的钙钛矿太阳能电池。

研究团队使用莫纳什电子显微镜中心 (MCEM) 开发的成像和衍射协议来研究一系列钙钛矿太阳能电池材料在原始状态下的晶体结构。

首席通讯作者、MCEM 主任、材料科学与工程系教授 Joanne Etheridge 表示，周期性晶体结构的破坏会对材料的电子特性产生很大影响。

“能够绘制钙钛矿型光吸收剂薄膜的局部晶体结构并将其与整体太阳能电池器件性能相关联，为如何提高器件性能提供了令人兴奋的新见解，”Etheridge 说。

第一作者、武汉理工大学的首席作者 Wei Li说：“要制造出好的太阳能电池，材料必须能够有效地将太阳光转化为电能，并且可以在户外使用数十年。”

“从光中产生电能包括吸收光子以产生激发的电子，将这些电子从它们重新结合之前留下的空穴中分离，最后在外部电路中提取分离的电子和空穴。”

“这些电荷载流子在晶体半导体中的表现如何，并随后影响太阳能电池的整体性能，很大程度上取决于材料的晶体学特性。”

研究小组能够通过调整钙钛矿薄膜的化学成分来控制某些类型的晶体缺陷——晶粒内平面缺陷的存在。

平面缺陷是发生在某些晶面上原子排列的缺陷。

这些缺陷破坏了晶格中原子的连续重复排列。晶内平面缺陷是钙钛矿材料中原子排列的一种特殊类型。

MA1-xFAxPbI3（一种钙钛矿太阳能电池）中这些缺陷的类型和密度通过调整小甲基铵 (MA) 分子相对于大甲铵 (FA) 分子的比例来改变。

不含晶内平面缺陷的组合具有最佳的太阳能电池性能。这项研究表明，这种晶体缺陷会对钙钛矿太阳能电池产生重要影响，并且可能是限制其当前性能的一个因素。

联合首席作者 Mathias Rothmann 在莫纳什大学攻读博士学位期间进行了部分工作，目前正在牛津大学继续研究钙钛矿太阳能电池。 Rothmann 说，这些信息为提高钙钛矿太阳能电池的性能开辟了新的途径。

“例如，铁匠通过锤击在热钢中引入缺陷，通过在水中淬火来锁定缺陷，从而使钢更硬但延展性较差。然而，在传统的硅太阳能电池中，缺陷通常与更短的电荷载流子扩散长度和寿命有关，导致较低的功率转换效率，”他说。

“我们发现这些钙钛矿太阳能电池中存在这些晶粒内平面缺陷会导致类似的性能下降。我们希望我们的工作能够基于充足的阳光为无化石燃料的未来做出贡献。”

参考资料

'The critical role of composition-dependent intragrain planar defects in the performance of MA1-xFAxPbI3 perovskite solar cells' by Wei Li et al; Nature Energy (2021)