研究发现，用于太阳能电池的钙钛矿薄膜的裂缝很容易愈合

一项新的研究揭示了在下一代太阳能电池中使用钙钛矿材料的可能性。

发表在《材料学报》(Acta Materialia)上的这项研究发现，尽管钙钛矿薄膜容易破裂，但通过压缩或加热，这些裂缝很容易愈合。研究人员说，这预示着在太阳能电池技术中使用便宜的钙钛矿代替或补充昂贵的硅。

“钙钛矿太阳能电池的效率增长非常快，现在可以与实验室电池中的硅媲美，”布朗大学工程学院教授、分子和纳米创新研究所所长尼廷·帕杜尔(Nitin Padture)说。“每个人都在追求高效率，这很重要，但如果我们要把这种太阳能电池技术推向市场，我们还需要考虑长期耐用性和机械可靠性等问题。这就是这项研究的目的。”

钙钛矿是一类广泛的晶体材料，2009年首次被用于太阳能电池。第一批钙钛矿太阳能电池的能量转换效率约为4%，但现在超过了25%——基本上与传统硅一样。钙钛矿太阳能电池的优势在于，它们的制造成本仅为硅的一小部分，这可能会降低太阳能装置的成本。钙钛矿还可以制成半透明、柔韧的薄膜，这可能会为能量产生窗户或帐篷或背包里轻便、柔韧的太阳能电池扫清道路。

但是制造钙钛矿太阳能电池的低成本和易操作是有代价的。

“在材料科学中，容易制造的东西往往也容易破碎，”领导这项研究的帕杜尔说。“钙钛矿确实如此，它们很脆。但在这里，我们发现它们也很容易修复——钙钛矿薄膜上的裂缝可以通过压缩或适当加热来修复。”

在这项研究中，帕杜尔实验室的博士生、论文的第一作者斯里尼瓦斯·亚达瓦利(Srinivas Yadavalli)在塑料基底上沉积了钙钛矿薄膜。然后他弯曲基板，在钙钛矿薄膜上施加拉伸(拉开)应力，同时使用扫描电子显微镜(SEM)检测裂纹。一旦薄膜破裂，研究人员就会将基底朝相反的方向弯曲，看看压缩应力是否可以修复这些裂缝。

果不其然，扫描电子显微镜(SEM)成像显示裂纹已经消失。为了确保裂缝完全愈合，而不仅仅是隐藏起来，研究人员使用了一种被称为x射线衍射的技术。通过测量一种材料的原子晶格的大小，这项技术可以揭示出以前有裂纹的区域现在是否能够承受机械载荷——这是裂纹愈合的必然标志。这些测试也显示了完全愈合的裂缝。

研究人员发现，高温对愈合裂缝同样有效。大约100摄氏度的温度——按照材料科学的标准来说是相当温和的温度——足以完全修复钙钛矿薄膜上的裂缝。

帕杜尔说，这项研究的目的是更好地了解钙钛矿材料的基本性质，还需要做更多的工作来开发将这些信息应用于商业环境的方法。但是，知道钙钛矿薄膜很容易愈合可能是有用的，因为这些类型的太阳能电池走向商业化。

“这是个好消息，”帕杜尔说。“这表明，相当简单的治疗方法可能有助于维持这类太阳能电池的性能。”

论文的共同作者是戴正红、周华和周媛媛。该研究由海军研究办公室(N00014-17-1-2232)和国家科学基金会(OIA-1538893)资助。这项研究使用了先进光子源的资源，先进光子源是由阿贡国家实验室操作的能源部科学用户办公室设施。