科学家找到解决钙钛矿障碍的方法

太阳能电池在 2,000 多小时内保持原始太阳光-电能转换性能的87%

加州大学洛杉矶分校的材料科学家和来自世界各地其他五所大学的同事发现了钙钛矿太阳能电池在阳光下退化的主要原因，就是导致其性能随着时间的推移而下降的原因。

该团队成功地展示了一种简单的制造调整工艺来解决退化的原因，为薄膜太阳能电池技术的广泛采用扫清了最大的障碍。

详细介绍这些发现的这篇研究论文发表在《自然》杂志上。这项研究由加州大学洛杉矶分校 Samueli分校材料科学与工程教授Yang Yang领导。共同第一作者是刚从加州大学洛杉矶分校 Samueli分校毕业的博士生 Shaun Tan 和 Tianyi Huang。

基于钙钛矿的太阳能电池的制造成本可以比硅基太阳能电池低得多，如果能够妥善解决长时间暴露于光照下的常见退化问题，那么太阳能技术将更容易获得。

“基于钙钛矿的太阳能电池在阳光下的退化速度往往比硅电池快得多，因此从长远来看，它们将阳光转化为电能的效率会下降，”Yang说，他同时也是加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所的成员。“然而，我们的研究表明了为什么会发生这种情况，并提供了一个简单的解决方案。这代表着将钙钛矿技术商业化和广泛采用的重大突破。”

用于去除太阳能电池缺陷的常见表面处理方法是沉积一层有机离子，这会使表面带太多负电荷。加州大学洛杉矶分校领导的研究小组发现，虽然这种处理旨在提高钙钛矿太阳能电池制造过程中的能量转换效率，但它也无意中产生了一个更富电子的表面——一个潜在的载能电子陷阱。

这种情况破坏了原子有序排列的稳定性，随着时间的推移，钙钛矿太阳能电池的效率越来越低，最终使它们无法商业化。

有了这一新发现，研究人员找到了一种解决电池长期退化的方法，方法是将带正电的离子与带负电的离子配对以进行表面处理。该切换使表面更加电子中性和稳定，同时保持缺陷预防表面处理的完整性。

该团队在实验室中测试了太阳能电池在加速老化条件下和模拟阳光的 24/7 照明下的耐久性。这些电池在 2000 多个小时内成功地保持了太阳光-电能转换性能的87%。相比之下，在相同时间和条件下进行测试后，未进行修复的太阳能电池的性能下降到原来性能的65%。

“我们的钙钛矿太阳能电池是迄今为止报告的效率最稳定的电池之一，”Tan 说。“与此同时，我们还奠定了新的基础知识，大家可以在这些基础上进一步开发和完善我们的多功能技术，以设计更稳定的钙钛矿太阳能电池。”

该论文的其他通讯作者是中国杭州西湖大学工程系助理教授Rui Wang；和韩国水原成均馆大学工程学助理教授 Jin-Wook Lee。Wang和Lee都是Yang指导的加州大学洛杉矶分校的博士后研究员。

来自加州大学欧文分校，土耳其马尔马拉大学，台湾国立阳明交通大学的研究人员也参与了这篇论文。

这项研究得到了美国能源部能源效率和可再生能源办公室的支持。

参考资料

'Stability-limiting heterointerfaces of perovskite photovoltaics' by Shaun Tan et al; Nature (2022)

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