研究人員開發新方法提升鈣鈦礦太陽能電池效率至 26%

研究人員開發了一種新方法，通過控制材料的結晶過程來提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和耐用性。研究顯示，暫時的液相可以幫助產生更大、更均勻的晶體，並減少缺陷。該團隊由加州大學聖地牙哥分校（UC San Diego）的研究人員共同領導，利用這一方法改善了基於鈣鈦礦的太陽能電池和發光二極管。這些裝置的效率達到約 24% 至 26%，是鈣鈦礦裝置中報告的較高值之一。

使用該技術製造的太陽能電池在模擬陽光下持續運行八週後，仍保留了大部分初始效率。

液相有助於晶體生長，鈣鈦礦材料有助於使太陽能技術更具經濟性，並提供高效率。這些材料可以從液體溶液中處理並以薄膜形式沉積，與傳統的矽太陽能電池相比，可能減少製造所需的能量和複雜性。然而，生產高品質的鈣鈦礦薄膜仍然面臨挑戰。這些薄膜通常包含許多小晶體，晶體之間的邊界稱為晶粒邊界。這些區域的缺陷可能導致能量損失，從而降低裝置性能。當製造商嘗試生產更大面積的太陽能電池板時，這一問題變得更加顯著，因為在更大面積上保持效率變得困難。

解決晶體生長問題

為瞭解決這一問題，由 UC San Diego 化學和納米工程教授 David Fenning 領導的研究團隊與普林斯頓大學及韓國成均館大學的同事合作。他們在用於生產一種稱為鹵化鈣鈦礦的材料的溶液中添加了溴化鋅和氯化甲銨。加熱時，這些添加劑形成了一種稱為共熔物的低熔點混合物。該混合物在生長的晶體邊界周圍形成一個暫時的液體，允許晶體重新排列並形成更有序的結構。

隨著加熱的持續，氯化甲銨蒸發，留下鋅集中在晶體邊界周圍。剩餘的鋅有助於中和可能幹擾電荷移動的電子缺陷。「我們通過開發一種在結晶過程中主動演變的添加劑混合物，引入了一種調節鹵化鈣鈦礦生長的新方法。」研究的共同第一作者 Connor Dolan 表示，他是 Fenning 實驗室的化學和納米工程博士畢業生。「更酷的是，最終產品消除了結晶晶粒邊緣的性能限制缺陷。」

研究人員使用先進的 X 射線成像技術觀察到材料在極小尺度上的變化。他們的測量顯示，在加熱過程中，晶體邊界周圍的區域變得無序且類似液體，然後在額外的鹽蒸發和晶體生長結束後返回到有序狀態。該處理產生了較大晶體，具有更少的結構缺陷和更均勻的化學性質分佈。研究人員還對為何這種固-液-固轉變在相同溫度下發生感興趣。

改進裝置性能的潛力

改進的晶體結構轉化為更好的裝置性能。在太陽能電池中，陽光激發電子，並留下一些帶正電的空穴。這些電子-空穴對存活的時間有助於指示材料支持太陽能轉換的有效性。「使用共熔形成的添加劑製作的鈣鈦礦具有有史以來所有直接帶隙半導體中持續時間最長的電子-空穴對，這顯示了這種方法的潛力。」Dolan 指出。研究人員還在不同的鈣鈦礦組成中測試了該方法，發現其在他們檢查的化學系統中均有效。

「似乎我們嘗試的每一種都有效！」Dolan 補充道。「我希望這一機制有機會真正通用，並為鈣鈦礦社區的進一步創新提供平台。」 該團隊目前正在研究其他共熔混合物，以更好地控制結晶過程。研究人員希望這一方法能提供一種更廣泛的策略，以生產高品質的鈣鈦礦材料，並支持高效太陽能技術的開發，這些技術可以在更大規模上製造。該研究已發表於《科學》期刊。

項目	規格
效率	24% - 26%
測試持續時間	八週

鈣鈦礦太陽能電池技術的突破

鈣鈦礦太陽能電池因其潛在的高效率和經濟性而受到廣泛關注。這項研究展示了通過控制結晶過程，可以顯著提升電池的性能，並減少缺陷，這對於推動鈣鈦礦技術的商業化至關重要。隨著太陽能技術需求的增長，這種新方法可能成為未來高效太陽能電池生產的關鍵。研究團隊的持續努力也顯示出，未來在鈣鈦礦材料的開發上，還有更多的創新空間。