下一代太阳能电池和柔性LED潜在材料的钙钛矿效率缺陷的解决方法

4月17日消息，由剑桥大学、冲绳科技大学研究生院（OIST）的科学家共同领导的多机构合作近日获得突破性成果，他们发现了导致下一代太阳能电池和柔性LED潜在材料——钙钛矿中出现“效率缺陷”的根源。

现在，全世界每个人都应该同意，就满足人类对能源的需求而言，可再生能源是前进的唯一途径。但是，谈到各种更环保的电源替代方案时，每个方案确实都有其自身的局限性。

风能的风速波动很大，在一天中的大部分时间内都不可靠;可以建造水坝发电，但对生态环保有很多影响;阳光是免费的，而且非常环保，难道太阳能发电就没有局限性了嘛？更其他再生能源一样，太阳能发电也有其局限性，迄今为止记录到的市售太阳能电池的最大效率为33.7%。这一直是太阳能行业面临的最大挑战之一，但是为什么太阳能电池板的效率如此低呢？ 我们很快就会得到答案，但是首先，了解太阳能电池到底是什么很重要。

在过去的十年中，钙钛矿这种具有特定晶体结构的多种材料，已经成为硅太阳能电池的有前途的替代品，因为它们制造起来更便宜、更环保，同时达到了可比的效率水平。

然而，钙钛矿材料制作的太阳能电池，往往会出现明显的性能损失和不稳定性。迄今为止，大多数研究都集中在消除这些损失的方法上，但是它们的实际物理原因仍然未知。

日前《自然》（Nature）杂志上发表的一篇论文中，来自剑桥大学化学工程与生物技术系和卡文迪许实验室的Sam Stranks博士小组的研究人员以及日本OIST的Keshav Dani教授的飞秒光谱学部门的研究人员确定了问题的根源。他们的发现可以简化提高钙钛矿应用效率的努力，使它们更接近面向大众市场的生产。

通常而言，当光照射到钙钛矿太阳能电池上或电通过钙钛矿LED时，电子被激发并跃迁到更高的能量状态。带负电的电子留在被称为空穴的空间后面，然后该空间具有相对正的电荷。激发的电子和空穴都可以移动穿过钙钛矿材料，因此充当电荷载流子。

但是在钙钛矿中，会发生某种类型的缺陷，此时通电的载流子会被卡住。被俘获的电子和空穴重新结合，将其能量损失变热，而不是将其转化为有用的电或光，这大大降低了太阳能电池板和LED的效率和稳定性。

到目前为止，人们对这些“陷阱”的成因知之甚少，部分原因是它们的行为似乎与传统太阳能电池材料中的缺陷截然不同。

2015年，Stranks博士的小组曾在《科学》上发表了一篇论文，研究了钙钛矿的发光，揭示了钙钛矿在吸收或发射光方面的表现。他们发现材料非常异质。Stranks博士描述称：“有很大的区域是明亮和发光的，而其他区域实际上是黑暗的。这些黑暗的区域与太阳能电池或LED的功率损耗相对应。但是造成功率损耗的原因始终是个谜，特别是因为钙钛矿对缺陷的耐受性很高。”

由于标准成像技术的局限性，当时研究团队无法分辨出较暗的区域是由一个大的陷阱位点还是许多较小的陷阱引起的，因此很难确定为什么它们仅在某些区域形成。到了2017年晚些时候，OIST的Dani教授的团队在《自然·纳米技术》上发表了一篇论文，在那里他们拍摄了一组图像，呈现了电子在吸收光后在半导体中的表现。Dani教授称：“通过观察光照射后电荷在材料或设备中的移动方式，我们可以发现很多东西。例如，您可以看到电荷在哪里被捕获。”“但是，这些损耗很难以可视化的方式显示，因为它们移动非常快——-在十亿分之一秒的百万分之一的时间尺度上；并且在非常短的距离上，大约是十亿分之一米的长度尺度。

于是Stranks博士团队和Dani教授团队形成了合作，看他们是否可以共同解决钙钛矿中暗区的可视化问题。

OIST的团队首次在钙钛矿上使用了一种称为光发射电子显微镜（PEEM）的技术，他们用紫外线探测该材料，并从发射的电子中形成图像。

当他们查看材料时，他们发现黑暗区域包含“陷阱”，长度约10-100纳米，是由较小原子尺寸的陷阱位点组成的簇。这些陷阱簇不均匀地分布在整个钙钛矿材料中，这解释了Stranks博士早期研究中发现的不均匀发光现象。

有趣的是，当研究人员将陷阱位置的图像叠加到显示钙钛矿材料晶粒的图像上时，他们发现陷阱簇仅在特定位置形成，位于某些晶粒之间的边界处。

为了理解为什么仅在某些晶界发生这种现象，研究小组与剑桥大学材料科学与冶金学系的Paul Midgley教授的团队合作，后者使用一种称为扫描电子衍射（scanning electron diffraction）的技术来创建钙钛矿晶体结构的详细图像。Midgley教授的团队利用了钻石光源同步加速器的ePSIC设施中的电子显微镜设置，该设施具有用于对射线敏感材料（例如钙钛矿）成像的专用设备。

“由于这些材料对光束非常敏感，因此您可以使用典型的技术在这些长度尺度上探测局部晶体结构，从而在查看时迅速改变材料，” Stranks博士的Tiarnan Doherty解释说。研究小组和共同主要作者。“相反，我们能够使用非常低的暴露剂量，因此可以防止伤害。”

“通过OIST的工作，我们知道了陷阱簇的位置，在ePSIC上，我们在同一区域周围进行了扫描以查看局部结构。我们能够快速查明陷阱位置周围晶体结构的意外变化。”

该小组发现，陷阱簇仅在结点处形成，结点处材料的结构略有变形，而结点处的区域则为原始结构。

斯特兰克斯博士说：“钙钛矿中，我们有这些规则的镶嵌材料，大多数的晶粒又优质又原始，这是我们期望的结构。” “但是每隔一段时间，您会得到一个略微扭曲的颗粒，并且该颗粒的化学性质是不均匀的。真正有趣的是，最初使我们感到困惑的是，不是扭曲的颗粒才是陷阱，而是当那个颗粒遇到一个原始颗粒；陷阱就在那个结点形成。”

基于对这种“陷阱”性质的了解，OIST的团队还使用了定制的PEEM仪器来可视化钙钛矿材料中发生的电荷载流子陷阱过程的动力学。PEEM装置的独特功能之一是，它可以对超快的过程进行成像——短至飞秒，随后，研究人员发现俘获过程主要由扩散到陷阱簇的电荷载流子控制。

这些发现代表了将钙钛矿带入太阳能市场的重大突破。“我们仍然不知道为什么陷阱会聚集在那儿，但是现在我们知道它们确实是在那儿形成的，而且只有在那儿。” “这令人兴奋，因为这意味着我们现在知道要针对什么来提高钙钛矿的性能。我们需要针对那些不均匀的相或以某种方式摆脱这些结合。”

团队的研究集中在一种特定的钙钛矿结构上。现在，科学家将调查这些陷阱簇的原因是否在所有钙钛矿材料中都普遍存在。

延伸阅读：

什么是太阳能电池？

太阳能电池是一种以直射阳光的形式捕获太阳能量并将其转换为电能的设备。太阳能电池也称为光伏电池，这意味着它将存在于光中的光子转换为电压差（这实际上是指“电能”）。要了解太阳能电池的局限性，我们必须仔细研究其构造。

太阳能电池是使用p型和n型硅晶圆制成的。p型硅晶片由更多的孔组成，这意味着它缺少电子，而n型晶片具有过量的电子。两者接触的界面称为结（更准确地说是PN结）。PN结是太阳能电池的主要组成部分。

我们所说的太阳能电池效率是什么意思？

我们使用的每个设备都具有一定的效率。考虑一台每小时可生产10个气球的机器。在这十个气球中，有两个气球有孔或其他类型的缺陷。这意味着该机器的效率为80%，因为该机器吸收了生产10个气球所需的原材料，但仅将其中的80%转换为有用的输出。因此，设备的效率代表了提供给它的每单位输入所产生的有用输出量。

类似地，太阳能电池上的入射辐射不会完全转换为电能。只能获取该能量的一小部分（如我们已经看到的小得多）作为有用的工作。有许多不同的衡量太阳能电池效率的方法，但最普遍的方法是肖克利-奎塞尔极限。

什么是肖克利-奎塞尔极限？

肖克利-奎塞尔极限（通常称为SQ极限）是提高太阳能电池效率的最重要科学手段。它测量标准测试条件（STC）下单个PN结太阳能电池的理论效率。STC近似于美国大陆春季和秋季春分时的太阳正午，太阳能电池的表面直接对准太阳（太阳能效率极限）。

该限制是在某些假设下测得的，太阳能电池必须仅由一种均质材料制成，每个太阳能电池只能有一个p-n结，并且假定每个能量大于带隙的光子都将转换为电能。如果您不了解光子或带隙的含义，请不要担心，我们将在下面进行讨论。

为什么效率受到限制？

使用太阳能电池发电的过程主要取决于一个非常重要的步骤。电子从价带（太阳能电池的PN结）跃迁到导带（外部电路，例如电池）。供您参考，正常原子中没有外部能量的电子被称为在价带中。为了产生电，这些电子必须转移到外部电路，这被称为导带。

电子本身不会从价带跃迁到导带。 必须提供一定量的能量（称为带隙），以使它们进行过渡。

现在，入射的太阳辐射由许多不同波长的波组成，如上面的光谱所示。左侧的长波最弱（能量较少），而右侧的短波更强大。因此，这些波中只有少数具有必要的能量来克服能垒。

让我们看一个例子，以更好地了解上述过程。考虑一包由100个不同波长的光子组成的光子（光子）撞击由硅制成的太阳能电池。在这100个波中，有40个波具有相当于硅带隙的能量，因此将能够发电。其余的波将作为热量消散或从电池表面反射回来。因此，太阳能电池的效率受到限制。

还有其他影响效率的因素吗？

正如我们所看到的，电子跃迁的阈值能垒原来是太阳能电池板效率低的主要原因。但是，它不是影响它的唯一因素。还有许多其他元素在这里起着相当重要的作用。

图注：臭氧层阻止高能紫外线到达地表。

离开太阳的能量与我们在地球上接收到的能量不同。这是因为辐射必须穿过包围我们星球的浓厚大气传播。现在，诸如光的散射和折射之类的不同现象降低了其强度。臭氧层会阻止有害的紫外线辐射到达我们（这些波对我们有害，因为它们拥有更多的能量，因此会损坏我们的眼睛细胞）。 然而，这些是能够越过阈值能量的波，但却稀疏地到达表面，从而再次导致太阳能电池板的效率降低。

有什么解决办法吗？

即使目前我们可以买到的大多数商用太阳能电池的转换率都无法超过33%的标准，但未来的前景似乎一片光明。剑桥大学致力于钙钛矿材料用于柔性LED和下一代太阳能电池的研究人员发现，当它们的化学成分顺序较少（从本文范围外的东西）时，它们的效率会更高，从而大大简化了生产生产过程，并且降低成本。

同样，世界各地的科学家一直在研究更新的材料，例如氮化镓，锗，磷化铟等。许多人认为，这些材料将通过改变多结太阳能电池的带隙极限，有效地利用整个太阳光谱将其转化为电能。总而言之，太阳能行业的未来确实是光明的。

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