研究人员开发新方法提升钙钛矿太阳能电池效率至 26%

研究人员开发了一种新方法，通过控制材料的结晶过程来提高钙钛矿太阳能电池的效率和耐用性。研究显示，暂时的液相可以帮助产生更大、更均匀的晶体，并减少缺陷。该团队由加州大学圣地亚哥分校（UC San Diego）的研究人员共同领导，利用这一方法改善了基于钙钛矿的太阳能电池和发光二极管。这些装置的效率达到约 24% 至 26%，是钙钛矿装置中报告的较高值之一。

使用该技术制造的太阳能电池在模拟阳光下持续运行八周后，仍保留了大部分初始效率。 液相有助于晶体生长，钙钛矿材料有助于使太阳能技术更具经济性，并提供高效率。这些材料可以从液体溶液中处理并以薄膜形式沉积，与传统的硅太阳能电池相比，可能减少制造所需的能量和复杂性。然而，生产高品质的钙钛矿薄膜仍然面临挑战。这些薄膜通常包含许多小晶体，晶体之间的边界称为晶粒边界。这些区域的缺陷可能导致能量损失，从而降低装置性能。当制造商尝试生产更大面积的太阳能电池板时，这一问题变得更加显著，因为在更大面积上保持效率变得困难。

解决晶体生长问题

为了解决这一问题，由 UC San Diego 化学和纳米工程教授 David Fenning 领导的研究团队与普林斯顿大学及韩国成均馆大学的同事合作。他们在用于生产一种称为卤化钙钛矿的材料的溶液中添加了溴化锌和氯化甲铵。加热时，这些添加剂形成了一种称为共熔物的低熔点混合物。该混合物在生长的晶体边界周围形成一个暂时的液体，允许晶体重新排列并形成更有序的结构。

随着加热的持续，氯化甲铵蒸发，留下锌集中在晶体边界周围。剩余的锌有助于中和可能干扰电荷移动的电子缺陷。“我们通过开发一种在结晶过程中主动演变的添加剂混合物，引入了一种调节卤化钙钛矿生长的新方法。”研究的共同第一作者 Connor Dolan 表示，他是 Fenning 实验室的化学和纳米工程博士毕业生。“更酷的是，最终产品消除了结晶晶粒边缘的性能限制缺陷。”

研究人员使用先进的 X 射线成像技术观察到材料在极小尺度上的变化。他们的测量显示，在加热过程中，晶体边界周围的区域变得无序且类似液体，然后在额外的盐蒸发和晶体生长结束后返回到有序状态。该处理产生了较大晶体，具有更少的结构缺陷和更均匀的化学性质分布。研究人员还对为何这种固-液-固转变在相同温度下发生感兴趣。

改进装置性能的潜力

改进的晶体结构转化为更好的装置性能。在太阳能电池中，阳光激发电子，并留下一些带正电的空穴。这些电子-空穴对存活的时间有助于指示材料支持太阳能转换的有效性。“使用共熔形成的添加剂制作的钙钛矿具有有史以来所有直接带隙半导体中持续时间最长的电子-空穴对，这显示了这种方法的潜力。”Dolan 指出。研究人员还在不同的钙钛矿组成中测试了该方法，发现其在他们检查的化学系统中均有效。

“似乎我们尝试的每一种都有效！”Dolan 补充道。“我希望这一机制有机会真正通用，并为钙钛矿社区的进一步创新提供平台。” 该团队目前正在研究其他共熔混合物，以更好地控制结晶过程。研究人员希望这一方法能提供一种更广泛的策略，以生产高品质的钙钛矿材料，并支持高效太阳能技术的开发，这些技术可以在更大规模上制造。该研究已发表于《科学》期刊。

项目	规格
效率	24% - 26%
测试持续时间	八周

钙钛矿太阳能电池技术的突破

钙钛矿太阳能电池因其潜在的高效率和经济性而受到广泛关注。这项研究展示了通过控制结晶过程，可以显著提升电池的性能，并减少缺陷，这对于推动钙钛矿技术的商业化至关重要。随着太阳能技术需求的增长，这种新方法可能成为未来高效太阳能电池生产的关键。研究团队的持续努力也显示出，未来在钙钛矿材料的开发上，还有更多的创新空间。