发现限制混合钙钛矿太阳能电池性能的缺陷
加州大学圣巴巴拉分校工程学院材料系的研究人员发现了新一代太阳能电池效率受限的主要原因。
之前人们认为混合钙钛矿晶格中的各种可能缺陷是造成这种限制的潜在原因，但假设有机分子(负责“混合”绰号的成分)将保持完整。现在，尖端计算表明，这些分子中缺少氢原子会导致巨大的效率损失。该研究结果发表在 4 月 29 日出版的《自然材料》杂志上，题为“最小化氢空位以实现高效混合钙钛矿”的论文中。
鉴于其在推进太阳能电池技术方面的潜力，混合钙钛矿卓越的光伏性能引起了极大的兴奋。“杂化”是指有机分子嵌入无机钙钛矿晶格中，其晶体结构类似于钙钛矿矿物(氧化钙钛)。这些材料的功率转换效率可与硅相媲美，但生产成本要低得多。然而，众所周知，钙钛矿晶格中的缺陷会以热量的形式产生不需要的能量耗散，从而限制了效率。
许多研究团队一直在研究此类缺陷，其中包括 UCSB 材料教授 Chris Van de Walle 小组，该小组最近取得了突破，他们在以前从未见过的地方发现了有害缺陷：在有机分子上。
“甲基铵碘化铅是典型的杂化钙钛矿，”该项目的首席研究员谢章解释说。“我们发现打破其中一个键并去除甲基铵分子上的氢原子非常容易。由此产生的‘氢空位’随后充当了电荷的吸收器，电荷在光落下产生后穿过晶体在太阳能电池上。当这些电荷被空位捕获时，它们就不能再做有用的工作，例如为电池充电或为电机供电，从而导致效率损失。”
Van de Walle 小组开发的先进计算技术使这项研究成为可能。这种最先进的计算提供了有关材料中电子量子力学行为的详细信息。参与这项研究的 Van de Walle 小组的高级研究生 Mark Turiansky 帮助建立了复杂的方法，将这些信息转化为电荷载流子俘获率的定量值。
“我们的团队已经创建了强大的方法来确定哪些过程会导致效率损失，”图里安斯基说，“很高兴看到该方法为一类重要的材料提供了如此有价值的见解。”
“计算就像一个理论显微镜，使我们能够以比实验获得的分辨率高得多的分辨率观察材料，”范德瓦勒解释说。“它们也为合理的材料设计奠定了基础。通过反复试验，发现甲基铵分子被甲脒取代的钙钛矿表现出更好的性能。我们现在可以将这种改进归因于形成氢缺陷的事实不太容易在甲脒化合物中。
他补充说：“这一见解为经验建立的智慧提供了明确的理由，即甲脒对于实现高效太阳能电池至关重要。”“基于这些基本见解，制造材料的科学家可以制定策略来抑制有害缺陷，从而进一步提高太阳能电池的效率。”
这项研究的资金由能源部科学办公室和基础能源科学办公室提供。计算是在国家能源研究科学计算中心进行的。
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2021-06-04
