研究揭开了设计下一代太阳能电池的纳米级秘密

钙钛矿是一类具有特定晶体结构的化合物，长期以来一直被视为当今硅或碲化镉太阳能电池板的有前途的替代品或补充。它们可以更轻、更便宜，并且可以涂覆在几乎任何基材上，包括可以卷起以便于运输的纸张或柔性塑料。

钙钛矿在将太阳光转化为电能方面的效率正变得可与硅相媲美，硅的制造仍然需要漫长、复杂和能源密集型的过程。剩下的一大缺点是寿命长：它们往往会在几个月到几年内分解，而硅太阳能电池板可以使用二十多年。而且它们在大模块面积上的效率仍然落后于硅。现在，麻省理工学院和其他几个机构的一组研究人员已经揭示了通过设计钙钛矿器件的纳米级结构来优化效率和更好地控制退化的方法。

该研究揭示了如何制造高效钙钛矿太阳能电池的新见解，也为致力于将这些太阳能电池推向商业市场的工程师提供了新的方向。这项工作今天在《 自然能源》杂志上进行了描述，作者是麻省理工学院最近的博士后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，以及麻省理工学院教授Vladimir Bulovic和Moungi Bawendi，以及麻省理工学院和华盛顿州，英国和韩国的其他10人。

“十年前，如果你问我们太阳能技术快速发展的最终解决方案是什么，答案会是与硅一样有效，但其制造要简单得多，”Bulovic说。“在不知不觉中，钙钛矿光伏领域出现了。它们和硅一样高效，而且像在纸上一样容易上画。结果在现场引起了极大的兴奋。

尽管如此，“以我们以前从未做过的方式处理和管理这些材料存在一些重大的技术挑战，”他说。但前景如此之大，以至于全世界数百名研究人员一直在研究这项技术。这项新研究着眼于一个非常小但关键的细节：如何“钝化”材料表面，改变其特性，使钙钛矿不再如此迅速地降解或失去效率。

“关键是确定界面的化学性质，即钙钛矿与其他材料相遇的地方，”Bulovic说，他指的是不同材料堆叠在钙钛矿旁边的地方，以促进电流流过设备。

工程师们已经开发了钝化方法，例如使用一种溶液来产生薄的钝化涂层。但他们缺乏对这一过程如何工作的详细了解——这对于在寻找更好的涂层方面取得进一步进展至关重要。Bulovic说，这项新研究“解决了钝化这些界面的能力，并阐明了为什么这种钝化工作原理如此之好。

该团队使用世界各地实验室中一些最强大的仪器来观察钙钛矿层和其他材料之间的界面，以及它们如何发展，这是前所未有的细节。Bulovic 说，对钝化涂层工艺及其影响的仔细研究导致了“迄今为止最清晰的路线图，即我们可以做些什么来微调钙钛矿和邻近材料界面的能量排列”，从而提高它们的整体性能。

虽然钙钛矿材料的大部分是以完美有序的原子晶格的形式存在的，但这种顺序在表面被分解。可能会有额外的原子伸出或缺少原子的空位，这些缺陷会导致材料效率的损失。这就是需要钝化的地方。

“这篇论文实质上揭示了一本关于如何调整表面的指南，其中有很多这些缺陷，以确保能量不会在表面上损失，”deQuilettes说。“这对这个领域来说是一个非常重大的发现，”他说。“这是第一篇展示如何系统地控制和设计钙钛矿表面场的论文。

常见的钝化方法是将表面浸泡在一种叫做六基溴化铵的盐溶液中，这是几年前由Jason Jungwan Yoo博士’20在麻省理工学院开发的一种技术，他是这篇论文的合著者，导致了多项新的世界纪录效率。通过这样做，“你在有缺陷的表面上形成了一个非常薄的层，这个薄层实际上可以很好地钝化很多缺陷，”deQuilettes说。“然后，作为盐的一部分的溴实际上以可控的方式渗透到三维层中。这种穿透有助于防止电子因表面缺陷而损失能量。

这两个效应由单个处理步骤产生，同时产生两个有益的变化。“这真的很漂亮，因为通常你需要分两步完成，”deQuilettes说。

钝化减少了电子在被阳光吹松后表面的能量损失。这些损耗降低了太阳光转化为电能的整体效率，因此减少损耗可以提高电池的净效率。

他说，这可能会迅速提高材料将太阳光转化为电能的效率。根据deQuilettes的说法，最近单个钙钛矿层的效率记录，其中几个是在麻省理工学院创造的，范围在24%到26%之间，而可以达到的最大理论效率约为30%。

几个百分点的增长可能听起来不多，但在太阳能光伏行业，这种改进备受追捧。“在硅光伏行业，如果你的效率提高了一半，那么在全球市场上就价值数亿美元，”他说。最近硅电池设计的转变，基本上是增加了一层薄的钝化层并改变了掺杂曲线，提供了大约一半的效率提升。因此，“整个行业都在转变，并迅速试图实现这一目标。他说，在过去的30年里，硅太阳能电池的整体效率只出现了非常小的增量提高。

钙钛矿的记录效率主要是在受控的实验室环境中设置的，该材料的样品只有邮票大小。“将创纪录的效率转化为商业规模需要很长时间，”deQuilettes 说。“另一个很大的希望是，有了这种理解，人们将能够更好地设计大面积区域，以产生这些钝化效果。

研究人员认为，有数百种不同种类的钝化盐和许多不同种类的钙钛矿，因此这项新工作提供的对钝化过程的基本理解可以帮助指导研究人员找到更好的材料组合。“有很多不同的方法可以设计材料，”他说。

“我认为我们正处于钙钛矿在商业应用中的首次实际演示的门口，”Bulovic说。“而这些第一批应用程序将与我们几年后能够做的事情相去甚远。他补充说，钙钛矿“不应被视为硅光伏的置换。它应该被看作是一种增强 – 另一种实现太阳能电力更快部署的方式。

“在过去的两年里，在寻找改善钙钛矿太阳能电池的表面处理方面取得了很大进展，”科罗拉多大学化学工程教授Michael McGehee说，他没有参与这项研究。“许多研究都是实证性的，改进背后的机制尚未完全了解。这项详细的研究表明，处理不仅可以钝化缺陷，还可以产生一个表场，排斥应该在设备另一侧收集的载流子。这种理解可能有助于进一步改进界面。

该团队包括韩国化学技术研究所、剑桥大学、西雅图华盛顿大学和韩国成均馆大学的研究人员。这项工作得到了塔塔信托基金会、麻省理工学院士兵纳米技术研究所、美国能源部和美国国家科学基金会的支持。