下一代太陽能電池的缺陷可以通過光來治愈

研究人員已經(jīng)證明，鈣鈦礦的分子結(jié)構(gòu)缺陷 - 一種可以徹底改變太陽能電池行業(yè)的材料 - 可以通過將其暴露在光線和適當(dāng)?shù)臐穸认聛?ldquo;治愈”。

國際研究團(tuán)隊(duì)在2016年證明了鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的缺陷可以通過將它們暴露在光線下來治愈，但效果是暫時(shí)的。

現(xiàn)在，來自劍橋，麻省理工學(xué)院，牛津，巴斯和代爾夫特的擴(kuò)大團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明這些缺陷可以永久愈合，這可以進(jìn)一步加速廉價(jià)，高性能鈣鈦礦基太陽能電池的開發(fā)，可與硅的效率相媲美。他們的研究結(jié)果在Cell Press出版的Joule期刊上發(fā)表。

目前市場(chǎng)上的大多數(shù)太陽能電池都是以硅為基礎(chǔ)的，但由于它們生產(chǎn)成本高，能源密集，研究人員一直在尋找太陽能電池和其他光伏電池的替代材料。鈣鈦礦可能是這些替代品中最有前途的：它們便宜且易于生產(chǎn)，并且在短短幾年的發(fā)展中，鈣鈦礦在將陽光轉(zhuǎn)化為電能方面幾乎與硅一樣高效。

盡管有鈣鈦礦的潛力，但一些限制妨礙了它們的效率和一致性。鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)中的微小缺陷(稱為陷阱)可能導(dǎo)致電子在其能量被利用之前“卡住”。電子在太陽能電池材料中移動(dòng)越容易，將光子，光粒子轉(zhuǎn)換成電能的材料就越有效。

“在鈣鈦礦太陽能電池和LED中，你往往會(huì)因缺陷而失去很多效率，”Sam Stranks博士說，他是麻省理工學(xué)院和劍橋大學(xué)的瑪麗居里研究員。“我們想知道這些缺陷的起源，以便我們能夠消除這些缺陷并使鈣鈦礦更有效率。”

在2016年的一篇論文中，Stranks和他的同事們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鈣鈦礦暴露在光照下時(shí)，碘離子 - 剝離電子的原子使它們攜帶電荷 - 從被照射區(qū)域遷移出來，并在此過程中掃除了大部分該地區(qū)的缺陷與它們一起。然而，這些影響雖然有希望，但是暫時(shí)的，因?yàn)楫?dāng)光被移除時(shí)離子遷移回到類似的位置。

在這項(xiàng)新研究中，該團(tuán)隊(duì)制造了一種基于鈣鈦礦的設(shè)備，采用與可擴(kuò)展的卷對(duì)卷工藝兼容的技術(shù)進(jìn)行印刷，但在設(shè)備完成之前，它們將其暴露在光，氧和濕度下。當(dāng)暴露在潮濕環(huán)境中時(shí)，鈣鈦礦通常會(huì)開始降解，但研究小組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濕度水平在40%到50%之間，并且暴露限制在30分鐘時(shí)，不會(huì)發(fā)生降解。曝光完成后，沉積剩余的層以完成裝置。

當(dāng)光被施加時(shí)，電子與氧結(jié)合，形成超氧化物，可以非常有效地與電子陷阱結(jié)合并防止這些陷阱阻礙電子。在伴隨的水存在下，鈣鈦礦表面也轉(zhuǎn)變成保護(hù)殼。殼涂層從表面除去了陷阱，但也鎖定了超氧化物，這意味著鈣鈦礦的性能改善現(xiàn)在是長(zhǎng)壽命的。

“這是違反直覺的，但是應(yīng)用濕度和光線使得鈣鈦礦太陽能電池更加發(fā)光，如果你想要高效的太陽能電池，這一特性非常重要，”現(xiàn)任劍橋卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的斯特蘭克斯說。“我們已經(jīng)看到發(fā)光效率從1%增加到89%，我們認(rèn)為我們可以將它一直提升到100%，這意味著我們可以沒有電壓損失 - 但仍有許多工作要做“。