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2020-02-12 09:08:53 前瞻经济学人

光伏电池可以从太阳中产生能量，在解决当前的环境危机方面非常有用。钙钛矿光伏电池是由金属卤化物钙钛矿半导体制成的电池，最近被证明前景无量，因为研究人员已经设法大幅提高了它们的能量转换效率，从3.8%一路提高到25.2%。

这一显著提高的效率使钙钛矿在开发下一代可低温处理的光伏技术方面成为领先的竞争者。钙钛矿光伏电池可以有两种主要的设计原型:所谓的规则(n-i-p)结构和倒置(p-i-n)结构。到目前为止，结构规则的电池实现了最高的功率转换效率，而结构倒置的电池则实现了更长的运行时间。

阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)和多伦多大学的研究人员最近能够减少之前观察到的钙钛矿光伏电池(规则结构和倒置结构)之间的效率差距。他们的论文发表在《自然能源》杂志上，介绍了一种新的设计策略，允许他们制造运行寿命长、功率转换效率为22.3%的倒置太阳能电池。

参与这项研究的研究人员XiaopengZheng告诉TechXplore:“效率最高的钙钛矿光伏设备是基于常规结构，它们必须在空穴运输材料中加入离子掺杂剂。”“通过去除这些不稳定的掺杂物，倒置结构的光伏设备有助于提高该技术的运行稳定性。不幸的是，倒置结构钙钛矿光伏的能量转换效率明显落后于常规结构设备(20.9%比25.2%)。”

XiaopengZheng表示，要想让钙钛矿光伏技术产生真正的商业性和环境影响，研究人员首先需要确保它们在运行稳定性和功率转换效率方面都处于领先地位。他与KAUST和多伦多大学的同事合作开发的设计策略，可以通过改善通常用于制造光伏设备的钙钛矿材料的结构和光电性能来帮助实现这一目标。

XiaopengZheng和他的同事们在钙钛矿材料中加入了微量的链长不同的表面烷基胺配体(AALs)。这使得他们能够改变材料的一些特性，从而获得比通常观察到的倒置结构的钙钛矿光伏太阳能电池更高的能量转换效率。

“我们发现，在加工过程中，只需微量的烷基胺就足以改变钙钛矿材料的性能，其有利的方式如下:(1)促进晶粒取向;(ii)抑制陷阱态密度;(iii)减少载流子的非辐射复合(即损耗)，提高载流子的移动能力和扩散长度;(iv)抑制钙钛矿中的离子迁移。”参与这项研究的另一位研究人员YiHou告诉TechXplore。

Zheng、Hou和他们的同事利用AAL表面改性钙钛矿薄膜表现出a(100)取向，与未改性的薄膜相比，其捕集态密度显著降低。它们还提供了增强的载流子移动能力和扩散长度，从而使设备的稳定功率转换效率达到22.3%。

“钙钛矿PV是一项年轻的技术，它们仍然有改进其稳定性的空间，以接近其它成熟的PV技术，如c-Si和无机基薄膜，”另一位参与研究的研究员TedSargent告诉TechXplore。“我们使用微量烷基胺作为晶粒和界面修饰剂，大大减少了倒置装置和常规装置之间的效率差距。”

研究人员发现，用他们的方法制造的钙钛矿太阳能电池在模拟的AM1.5照明下，最大功率点可运行超过1000小时，而不会降低效率。在未来，他们引入的设计策略可以使钙钛矿材料更接近于满足太阳能电池商业化所需的苛刻条件。

“在我们研究的下一阶段，我们将寻找生产钙钛矿PV的方法，在不牺牲高性能和可靠性的前提下打造大面积设备。”参与研究的另一名研究人员OsmanBakr告诉TechXplore。