科学家找到光伏面板最大短板:杂化钙钛矿晶格中的缺陷

加州大学圣芭拉拉分校(UC SB)工程学院材料系的研究人员,刚刚找到了导致新一代光伏面板效率受限的主要原因。此前普遍认为杂化钙钛矿的晶格中可能存在各种缺陷,而负责混合成分的有机分子将保持其完整性。不过最新的研究已经表明,这些分子中缺少的氢原子,会导致能效的大量损失。

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甲基铵分子中产生的氢空位(中心偏左的黑点)

杂化钙钛矿具有出色的光伏性能,许多人都期待着它能够推动太阳能技术的进一步发展。所谓的“杂化物”,特使将有机分子嵌入作为无机物的钙钛矿晶格,以维持类似于钙钛矿物的结构。

这类材料的光伏转换效率可与硅基方案相媲美,但生产成本要低得多。遗憾的是,目前已知的钙钛矿晶格缺陷,会导致光伏效率以发热的形式而消散。

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研究配图 - 1:MAPbI3的天然缺陷

此前多年,大量研究人员都在深入了解这种缺陷。而 UCSB 材料系教授 Chris Van de Walle 带领的一支研究团队,刚刚取得了一项重要的发现。

项目首席研究员 Xie Zhang 表示:“甲基铵碘化铅是一种典型的混合钙钛矿,但打破其中一个键、并去除甲基铵分子上的氢原子也非常容易”。

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研究配图 - 2:MAPbI3中存在的氢空位

氢空位会变身成为电荷的吸收器,而这些电荷是由落在光伏面板上的光子产生、并在晶格中移动的。在此情况下,闲置电荷将无法继续开展有效的工作(比如为电池充电、或为电机供电),从而降低了效率。

据悉,这项研究得到了 Van de Walle 团队开发的先进计算技术的帮助,提供了有关材料中电子的量子力学行为的详细信息。

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研究配图 - 3:MAPbI3氢空位的非辐射捕获

参与研究的 Van de Walle 研究团队的一名高级研究生 Mark Turiansky,帮助其建立一套复杂了方法,能够将这些信息转换为定量的电荷载流子俘获率值。

Turiansky 表示:“我们团队已经打造了强有力的方法,来确定哪些过程会导致效率的降低,且很高兴看到该方案为一种重要的财力提供了如此宝贵的见解”。

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研究配图 - 4:FAPbI3氢空位及其诱导的非辐射重组

通过反复实验,我们发现通过 Formamidinium 取代甲基铵分子,可以让钙钛矿表现出更好的性能。展望未来,科学家们有望研制出更加性能更高、成本更合理、环境效益也更加出众的新材料。

有关这项研究的详情,已经发表在 4 月 29 日出版的《自然材料》(Nature Materials)期刊上。原标题为《Minimizing hydrogen vacancies to enable highly efficient hybrid perovskites》。


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