作者：GeorgiaInstituteofTechnology

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是利用鈣鈦礦型的有機(jī)金屬鹵化物半導(dǎo)體作為吸光材料的太陽(yáng)能電池，屬于第三代太陽(yáng)能電池。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池有很多值得研究的地方。因?yàn)樗鼈兩a(chǎn)簡(jiǎn)單，成本低廉，具有靈活性，可以滿足一系列新的安裝方法和場(chǎng)所，而且近年來(lái)已達(dá)到接近傳統(tǒng)硅基電池的能效。

但是要想弄清楚如何生產(chǎn)出能持續(xù)數(shù)月以上的鈣鈦礦基能量器件是一個(gè)挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在，喬治亞理工學(xué)院、加州大學(xué)圣地亞哥分校和麻省理工學(xué)院的研究人員報(bào)告了有關(guān)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的新發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)可能會(huì)引導(dǎo)人們找到性能更好的設(shè)備。

佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院的助理教授JuanPabloCorreaBaena說(shuō)：“鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有很多潛在的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈兎浅］p，可以用柔性塑料基板制造。然而，要想在市場(chǎng)上與硅基太陽(yáng)能電池競(jìng)爭(zhēng)，它們需要更高效。”

2月8日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一項(xiàng)研究（由美國(guó)能源部和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)贊助），研究人員更詳細(xì)地描述了如何將堿金屬添加到傳統(tǒng)鈣鈦礦中的機(jī)制，從而獲得更好的性能。

加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程教授大衛(wèi)·芬寧說(shuō)：“鈣鈦礦確實(shí)可以改變太陽(yáng)能的游戲。他們有潛力在不放棄業(yè)績(jī)的情況下降低成本。但從根本上了解這些材料還有很多東西。”

為了理解鈣鈦礦晶體，把它的晶體結(jié)構(gòu)看成三元晶體是很有幫助的。三元晶體的一部分通常由元素鉛構(gòu)成，第二種通常由有機(jī)成分（例如甲基銨）組成，第三種通常由其他鹵化物（例如溴和碘）組成。

近年來(lái)，研究人員致力于測(cè)試不同的配方，以獲得更好的效率，例如在鉛結(jié)構(gòu)的成分中添加碘和溴。后來(lái)，他們嘗試用銫和銣替代鈣鈦礦中通常被有機(jī)分子占據(jù)的部分。

CorreaBaena說(shuō)：“我們從早期的研究中知道，在混合溴和碘鉛鈣鈦礦中加入銫和銣可以獲得更好的穩(wěn)定性和更高的性能。”

但人們對(duì)添加這些堿金屬改善鈣鈦礦性能的原因知之甚少。

為了確切地理解為什么這么做似乎有效，研究人員使用高強(qiáng)度X射線測(cè)繪在納米尺度上檢查鈣鈦礦。

加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSanDiego）納米工程博士生Yanqi（Grace）Luo說(shuō)：“通過(guò)觀察鈣鈦礦材料中的成分，我們可以看到每一種元素如何在提高設(shè)備性能方面發(fā)揮作用。”

他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)銫和銣添加到混合有溴和碘的鈣鈦礦鉛中時(shí)，會(huì)使溴和碘更均勻地混合在一起，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率比沒(méi)有這些添加劑的材料高出2%。

芬寧說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)，化學(xué)和結(jié)構(gòu)的一致性有助于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池發(fā)揮其最大潛能。任何主干中的異質(zhì)性都像是鏈中的薄弱環(huán)節(jié)。”

即便如此，研究人員也觀察到，盡管添加銣或銫會(huì)使溴和碘變得更均勻，但鹵化物金屬本身在其陽(yáng)離子中仍然相當(dāng)聚集，在不產(chǎn)生電流的太陽(yáng)能電池中形成了不活動(dòng)的“死區(qū)”。

“這太令人驚訝了，”芬寧說(shuō)。這些死區(qū)通常會(huì)使太陽(yáng)能電池衰減直至無(wú)效。在其他材料中，它們的行為就像黑洞一樣，從其他區(qū)域吸收電子，永遠(yuǎn)不會(huì)讓它們離開(kāi)，所以你會(huì)失去電流和電壓。

芬寧說(shuō)：“但在這些鈣鈦礦中，我們發(fā)現(xiàn)，銣和銫周?chē)乃绤^(qū)對(duì)太陽(yáng)能電池的性能沒(méi)有太大的損害，盡管目前存在一些損失。這表明這些材料有多堅(jiān)固，但還有更多的改進(jìn)機(jī)會(huì)。”

這些發(fā)現(xiàn)增加了人們對(duì)鈣鈦礦基器件在納米尺度上的工作方式的理解，并為未來(lái)的改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。

CorreaBaena說(shuō)：“這些材料具有很高的性?xún)r(jià)比和高性能，這正是我們確保廣泛部署光伏電池板所需要的。我們想設(shè)法抵消氣候變化的問(wèn)題，所以我們的想法是讓光伏電池盡可能便宜。”