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科学家发现影响钙钛矿太阳能电池效率的原因,并改写未来走向

发表于:2021-05-07 08:28:36     来源:物理学极客

理论上来说,借由混合正确的材料而做出的钙钛矿(perovskite )结晶能够将光电转换效率推向超过30% ,胜过矽基太阳能电池(目前为止最丰富的太阳能电池技术)的效率,且成本也较低。这些结果在论文上都很棒,但实际上,有某个东西让此技术没有办法表现得这么好。

在正确的情况下结合钙、钛、与氧的话,就会形成重复的分子单元,这些分子单元看起来像一堆在角落相连起来的盒子。不论参与其中的元素,这种特别的结晶图案被称作钙钛矿结构。

钙钛矿在人类寻找能够便宜且有效地捕捉太阳能的方法中贡献了很多。借由撒上有机分子,这些结晶结构已经能够将1/4 以上落于它们上头的光转换成电力。

比方说,若从碘化铅出发,将碘化铅丢到譬如甲胺(methylammonium)等有机化合物中来获得正电,在撒上一些阳光,你就正在产生一些电流的路上了。

 


 

效率下降元凶

为了在这能量转换上达到超过25% 的效率,工程师们很快地学到,确保有足够的碘化物是有偿的,这似乎是要确保在钙钛矿晶格中的任何缺陷都好好地且完全地被填满。

但是,此假设从来没有完整地经测试,因此来自圣塔芭芭拉加利福尼亚大学(University of California, Santa Barbara)的研究人员回到第一原理来决定到底真的发生了什么事。

当研究团队透过最尖端的计算,来分析当电子迁移过有机分子与碘化铅的混合结构时,影响电子的量子行为时,他们发现加入更多的碘化物并不是实验所认为正确的步骤。

结果发现,系统中的缺陷并不在任何人所预期之处:并不是钙钛矿晶粒中的缺陷,而是先前被认为坚不可摧的单元,即有机成分,造成了结构的弱点。事实证明有机成分的氢能够马上消失。

主要研究员与材料工程师张协助理教授说:甲胺碘化铅是典型的混合钙钛矿。我们发现要断开其中一个键结,并且从甲胺分子上移掉一个氢原子是多么的容易。

氢的空缺在电路中形成了不便的坑洞,导致当太阳光从周围的钙钛矿结构中使电子自由化时,阻碍了电流的产生。张教授说,当这些电荷陷在空缺中时,它们就再也无法进行有用的工作,例如对电池充电或驱动马达,因此效率下降。

改善方法与未来走向

虽然在目前阶段,这个过程完全是理论的,但是该计算也让团队能够在此缺陷的周围找出方法。其中一个与实验结果相匹配的可能性是在碘化物浓度中找寻一个中间值。

另外,将原本的有机分子换成另一种例如铯(cesium)的阳离子,或者更好地,换成一种相似的有机化合物,例如甲脒(formamidinium)的话,也可以导致根本效率上的改善。

将这个理论研究转换成生产电力的实际方法需要更多的测试与计划。在计算上可行的方法需要能够整合入制程中,并利用此制程在甲脒分子的周围长出没有缺陷的钙钛矿晶圆。为了让钙钛矿有希望主导能源生产市场,会需要在金融与功能方面都展现出其价值。

对矽的预测显示,要使其超过其理论极限的30%,还有很长的路要走。但是若考虑到钙钛矿在过去十年中获得的进步,钙钛矿太阳能电池可能会在不久的将来取得重大突破。

责任编辑:肖舟

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