新设计提高了下一代钙钛矿太阳能电池的效率

此图显示了佩洛夫斯基泰光伏在背景中的光伏，纯粹的钙钛矿晶体显示为彩色单位。

减少内部损失可以为基于低成本的Perovskite的光伏电阻铺平匹配硅电池的输出。

佩罗夫斯基特是最终更换硅作为太阳能电池板的首选材料的领先候选者。它们提供了低成本，低温制造的超薄，轻质柔性电池的潜力，但到目前为止，它们在将阳光转换为电力时的效率已经落后于硅和其他一些替代方案。

现在，钙钛矿细胞设计的新方法推动了材料以匹配或超过当今典型的硅电池的效率，这通常为20％至22％，铺设了进一步改进的基础。

通过将特定处理的二氧化锡导电层添加到钙钛矿材料中，为电池中的电荷载体提供改进的路径，并通过改变钙钛矿公式，研究人员将其整体效率提高到太阳能电池至25.2％ - 这种材料的近纪录，其蚀刻了许多现有太阳能电池板的效率。（佩洛夫斯库特与硅相比仍然显着滞后，但是，世界各地的球队正在努力工作。）

目前，最近的麻省理工学院毕业生Jason Yoo Phd'20，化学和莱斯特沃尔夫教授Moungi Bawendi教授，电气工程与计算机科学教授，新兴科技VladimirBulović和11其他人在麻省理工学院，韩国和格鲁吉亚。

Perovskites是一类广泛的材料，由它们具有特定类型的分子布置或格子，类似于天然存在的矿物质钙钛矿。有大量可能的化学组合可以使佩罗夫斯克斯制作，耶和华解释说，这些材料由于“至少在纸上，它们可以比硅或砷化镓更便宜，”其他主要的竞争者。部分原因是，由于更简单的加工和制造方法，其用于硅或砷化镓需要超过1000摄氏度的持续热量。相反，钙钛矿可以在溶液中或通过气相沉积在少于200℃下加工。

Perovskite在硅或许多其他候选替代品的其他主要优点是它形成极其薄层，同时仍然有效地捕获太阳能。“钙钛矿细胞与硅相比具有轻量级的倍数，按数量级，”Bawendi说。

Perovskites具有比硅更高的带隙，这意味着它们吸收光谱的不同部分，因此可以补充硅细胞以提供更大的组合效率。但即使仅使用Perovskite，Yoo说：“我们展示的是，即使使用单一的活动层，我们也可以使威胁硅的效率，并且希望在砷化镓冲击距离内。这两种技术都超过了佩洛夫斯基特。“

该团队提高材料效率的钥匙之一Bawendi解释说，在一层三明治的精确工程中，构成了钙钛矿太阳能电池 - 电子传输层。钙钛矿本身具有用于将电流从细胞携带到可以使用的电流的透明导电层。然而，如果导电层直接连接到钙钛矿本身，则电子及其对应物，称为孔，只需在点上重新组合并且没有电流流动。在研究人员的设计中，钙钛矿和导电层通过改进的中间层分开，可以使电子通过在防止重组时。

这种中间电子传输层，尤其是其连接到其每侧的层的界面，往往是在效率低下发生的地方。通过研究这些机制并设计由氧化锡组成的层，与其相邻的那些更完全符合，研究人员能够大大降低损失。

它们使用的方法称为化学浴沉积。“这就像在一个缸锅里慢慢烹饪，”巴劳迪说。在90摄氏度的浴室，前体化学品缓慢分解以形成二氧化锡层。“该团队意识到，如果我们理解这些前体的分解机制，那么我们将更好地了解这些电影如何形成。我们能够找到右侧窗口，其中可以合成具有理想性质的电子传输层。“

经过一系列受控实验后，它们发现根据前体溶液的酸度来形成不同的中间体化合物的混合物。他们还鉴定了一种允许反应的前体组合物的甜点，以产生更有效的薄膜。

研究人员将这些步骤与钙钛矿层本身的优化相结合。他们使用一套添加剂来佩洛夫斯基特的配方，以提高其稳定性，这已经尝试过，但对材料的带隙有不希望的影响，使其成为一种较低的光吸收器。该团队发现，通过增加这些添加剂的量小于1％ - 它们仍然可以获得有益的效果而不改变带隙。

Yoo说，由此产​​生的效率的提高已经推动了这些材料可能拥有的理论最大效率的80％以上。

虽然这些高效率在微小的实验室规模的设备中展示，但Bawendi说“我们提供的那种见解，我们提供的一些技巧可能适用于人们现在正在发展的方法 - 规模，可制造的钙钛矿细胞，因此提高了这些效率。“

在进一步追求研究方面，有两个重要的途径，他说：继续推动更好的效率的限制，并专注于增加目前在几个月内测量的材料的长期稳定性，而硅细胞数十年。但是对于某些目的而言，Bawendi指出，长寿可能不是那么必要。例如，无论如何，许多电子设备如手机，往往会在几年内替换，因此即使对于相对短暂的太阳能电池，也可能存在一些有用的应用。

“我不认为我们还没有这些细胞，即使对于这些较短的应用程序而言，即使是这些细胞，”他说。“但人们正在接近，所以将我们的想法与众不同，其他人越来越稳定的想法可能会导致真正有趣的东西。”

罗伯特·霍伊（Robert Hoye）是伦敦帝国学院的讲师，他不是一部分研究，“这是一个国际团队的优秀工作。”他补充说，“这可能导致更高的再现性和在商业化模块的实验室中实现的优秀设备效率。在科学里程碑方面，它们不仅可以实现去年大部分钙钛矿太阳能电池的认证纪录的效率，它们还实现了高达97％的辐射极限的开路电压。这是从溶液生长的太阳能电池的令人惊讶的成就。“

参考：“高效的佩罗夫斯基特太阳能电池通过改善的载体管理”由Jason J. Yoo，Gabkyung Seo，Matthew R. Chua，Tae Gwan Park，Yongli Lu，Fabian Rotermund，Young-Kikim，Chan Su Moon，Nam Goong Jeon，Juan-Pablo Correa-baena，vladimirBulović，Seong Sik Shin，Moungi G. Bawendi和Jangwon Seo，24 24121，Nature.Doi：
10.1038 / S41586-021-03285-W

该团队包括韩国化学科学研究所的研究人员，韩国先进的科学技术研究所，Ulsan国家科学技术研究所，格鲁吉亚科技。通过麻省理工学院能源倡议，韩国国家研究基金会和国家科学技术研究委员会的麻省理工学院，美国宇航局，美国宇航局士兵纳米技术研究所的士兵纳米技术研究所的支持得到了支持。