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为什么钙钛矿太阳能电池在光的作用下趋向于分离东来东往

2022-07-28 13:11:43

为什么钙钛矿太阳能电池在光的作用下趋向于分离

由钙钛矿制成的太阳能电池价格便宜，易于生产，并且效率与传统上用于太阳能电池的硅几乎相同。

然而，钙钛矿细胞与太阳有着讨厌的关系。它们发电所需的光也恰巧损害了电池的质量，从而严重限制了它们随时间的效率和稳定性

埃因霍温科技大学的研究人员现已开发出一种理论，可以解释复合钙钛矿细胞为何在阳光下不稳定。该研究发表在《自然通讯》上。

钙钛矿是太阳能电池用硅的一种有吸引力的替代品，因为它既丰富又易于生产。此外，在过去的十年中，钙钛矿太阳能电池的性能得到了显着改善，效率达到了25％以上，接近硅太阳能电池的最新水平。

钙钛矿型太阳能电池板通常由卤化物制成，这些卤化物将有机材料与金属和卤化物结合在一起。这项新的研究集中在五种流行的卤化物上，它们的共同点是将溴化物和碘化物结合在一起。

这种组合的效果特别好，因为它可以“调整”带隙或材料中产生电能所需的最小光子能量。这在钙钛矿与硅结合的所谓串联太阳能电池中特别有用，因为串联太阳能电池需要完美地“调整”各种带隙以确保最佳性能。

解决隔离的奥秘

但是，有一个障碍。阳光虽然为钙钛矿细胞提供了产生电能所需的光子能量，但同时也会损害其稳定性。随着时间的流逝，这会影响其性能。尽管钙钛矿和太阳之间这种爱恨交加的关系在该领域是众所周知的，但却鲜为人知。

该论文的共同作者，应用物理系教授彼得·鲍伯特说：“要观察正在发生的事情，您需要查看光进入太阳能电池时原子级发生的情况。” “由入射光子产生的光载流子倾向于聚集在带隙最低的位置，在这种情况下，化合物中会自发出现富碘区域。”

只要有足够的光，就会触发链反应，在该链反应中，越来越多的碘化物积聚在富含碘化物的区域中，并且越来越多的溴化物被排出。化合物随后的分离趋向于将产生电的载流子捕获在这些低带隙区域中，从而严重阻碍了电池的效率。

自由能

研究人员与计算鲍尔伯特一起在计算能源研究中心开展了合作，他们除了陈泽华，盖尔特布罗克斯和陶书霞之外，还开发了一种理论模型，可以解释为什么会发生这种情况。“

我们的统一理论为光诱导卤化物偏析着眼于总自由能的的钙钛矿中的光伏电池，无论是在黑暗中，并且当细胞暴露于阳光下，” Bobbert解释。

“激发的光载体趋向于移动到其自由能最低的区域，在这种情况下是带隙最小的区域。通过分析此过程，我们能够区分每种化合物的稳定，亚稳态和不稳定区域，具体取决于温度，光照条件和溴化物浓度。”

解决方案

该理论的妙处在于，它揭示了解决化合物偏析问题的可行方法的可行之路。最明显的解决方案是限制照射在电池上的光，但这会不利地影响效率。一种更有希望的方法是改变化合物中溴化物的量。

“基于我们的计算，您可以准确预测可以向化合物中添加多少溴化物，以增加其带隙而又不会使化合物变得不稳定，”鲍伯特说。“通过不掺入过量的溴化物，可以避免离析，同时仍能获得适用于串联细胞的相当大的带隙。”

本文以铯铅化合物电池为例，该电池在高达42％的溴化物浓度下稳定。这应该保证最大1.94 eV的带隙，对于高效的串联太阳能电池中的顶层来说，绰绰有余。

其他解决方案

根据研究人员的说法，该理论具有高度的灵活性，使其适用于通过与其他材料合金化来调整带隙的其他半导体材料，以及尚未考虑的情况，例如由于应变引起的带隙变化。