研究揭开了钙钛矿的纳米级秘密

研究揭示如何调整表面特性以优化效率并更好控制降解

在将阳光转化为电能上，钙钛矿的效率逐渐与硅的效率相媲美。但是，钙钛矿还有一个很大的缺点，那就是寿命短：钙钛矿往往在几个月到几年内就会损坏，而硅太阳能板的寿命可达二十多年。而且钙钛矿在大面积组件上的效率仍然落后于硅。

目前，麻省理工学院一研究团队（包括上图的Madeleine Laitz和Dane deQuilettes）与韩国化学技术研究院、剑桥大学、西雅图华盛顿大学、韩国成均馆大学的研究人员一起，对钙钛矿器件的纳米级结构进行工程设计，进而揭示了优化效率并更好控制降解的方法。

这项研究揭示了如何制造高效钙钛矿太阳能电池的新见解，也为工程师们将钙钛矿太阳能电池推向商业市场提供了新的方向。

研究成果发表在《自然能源》（Nature Energy）上，论文题为“通过钙钛矿薄膜中的可调表面场来降低复合”（Reduced recombination via tunable surface fields in perovskite thin films）。论文作者包括刚从麻省理工学院毕业的博士后Dane deQuilettes，他现在是麻省理工学院衍生公司Optigon的联合创始人兼首席科学官，此外还有麻省理工学院教授Vladimir Bulovic和Moungi Bawendi，以及麻省理工学院、华盛顿州、英国、韩国的其他十位学者。

Vladimir Bulovic表示：“十年前，如果你问我们什么才是快速发展太阳能技术的终极解决方案，我们的答案一定是一种与硅同样高效，但制造起来简单得多的材料。在我们意识到这一点之前，钙钛矿光伏领域出现了。钙钛矿和硅一样高效，而且制造起来就像在纸上画画一样容易。结果是该领域极其令人兴奋。”

新研究着眼于一个非常小但很关键的细节：如何“钝化”钙钛矿材料的表面，改变其特性，使其不再迅速降解或失效。Vladimir Bulovic表示：“关键在于确定界面的化学性质，即钙钛矿与其他材料接触之处。”

工程师们已开发出钝化方法，例如使用溶液形成一层薄薄的钝化涂层。但他们对该工艺的工作原理缺乏详细了解，而这对进一步寻找更好的涂层来说至关重要。

研究团队以前所未有的方式详细研究了钙钛矿层和其他材料之间的界面，以及它们是如何形成的。Vladimir Bulovic表示，对钝化涂层工艺及其影响进行仔细研究后，“我们绘制出了迄今为止最清晰的路线图，让我们知道如何微调钙钛矿和邻近材料间界面的能量排列”，从而提高其整体性能。

虽然钙钛矿材料的主体是由原子组成的完全有序的晶格，但在材料表面，这种有序会被打破。可能会有多余的原子伸出，或者出现原子缺失的空位，这些缺陷会导致材料效率下降。这就是钝化的必要所在。

Dane deQuilettes表示：“这些缺陷大多都在表面，而这篇论文本质上是如何调整表面的指导手册，从而确保表面不会损失能量。这是首篇展示如何系统地控制并设计钙钛矿表面场的论文。”

常用的钝化方法是用正己基溴化铵浸泡表面，这项技术是Jason Jungwan Yoo几年前在麻省理工学院开发的，使效率达到多项新的世界纪录，他本人也是这篇论文的作者。Dane deQuilettes表示：通过这种方法，“你可以在缺陷表面上形成一个很薄的层，这一薄层实际上可以很好地钝化诸多缺陷。然后，溴作为一种盐，实际上能以一种可控的方式渗透到三维层中。这种渗透有助于防止电子因表面缺陷而失去能量。”

两种效果由一个加工步骤产生，同时产生两种有益的变化。钝化可减少电子被阳光击散后在表面损失能量。电子在表面损失能量会降低阳光转化为电能的整体效率，因此减少损失可以提高电池的净效率。

Dane deQuilettes表示，这将迅速提高材料将阳光转化为电能的效率。还表示，近期钙钛矿单层的效率记录（其中几个记录是在麻省理工学院创下的）在24%到26%之间，而理论上可以达到的最高效率约为30%。

他表示：“在硅光伏产业中，如果效率提高半个百分点，其全球市场价值就会有数亿美元。”最近，硅电池设计发生了变化，主要是增加了一层钝化薄层并改变了掺杂分布，从而使效率提高约半个百分点。因此，“整个行业都在转变，并迅速努力达到这一目标”。他表示，过去30年里，硅太阳能电池的整体效率仅小幅逐步提高。

钙钛矿的创纪录效率大多是在受控实验室环境中用邮票大小的小材料样品实现的。Dane deQuilettes表示：“将创纪录的效率转化为商业规模需要很长时间。另一个较大的希望是，有了这种认识，人们就能更好地设计大面积的钝化效果。”

研究人员表示，钝化盐有数百种，钙钛矿也有很多种，因此这项新研究提供了对钝化工艺的基本理解，有助于指导研究人员找到更好的材料组合。他说：“有许多不同的方法可以对材料进行工程设计。”

Vladimir Bulovic表示：“我认为，我们即将迎来钙钛矿在商业应用上的首次实际展示。首次应用将与我们几年后所能做到的大相径庭。”他补充道，钙钛矿“不应被视为硅光伏的替代品。它应该被看作是一种增强，是更快部署太阳能发电的另一种方式。”

此研究获得塔塔信托基金、麻省理工学院士兵纳米技术研究所、美国能源部、美国国家科学基金会的支持。