由加州大学洛杉矶分校研究人员领导的一个国际团队已经开发出一种在太阳能电池中使用钙钛矿的方法，同时保护它免受导致其退化的条件的影响。图片来源:杨实验室/加州大学洛杉矶分校
使用增强型卤化物钙钛矿代替硅可以生产更便宜的设备，这些设备更耐光、耐热。
在将国家能源供应转换为可再生能源的所有努力中，太阳能发电仍占美国发电量的不到 3%，部分原因在于生产太阳能电池的成本相对较高。
降低生产成本的一种方法是开发使用比当今硅基模型更便宜的材料的太阳能电池。为实现这一目标，一些工程师将注意力集中在卤化物钙钛矿上，这是一种人造材料，具有像立方体一样的重复晶体。
从理论上讲，基于钙钛矿的太阳能电池可以使用比硅成本更低且更容易获得的原材料制成;它们还可以使用更少的能源和更简单的制造过程来生产。
但到目前为止，一个绊脚石是钙钛矿会因暴露在光和热下而分解——这对于旨在从太阳能中产生能量的设备来说尤其成问题。
现在，由加州大学洛杉矶分校领导的一项国际研究合作已经开发出一种在太阳能电池中使用钙钛矿的方法，同时保护它免受导致其退化的条件的影响。在最近发表在《自然材料》杂志上的一项研究中，科学家们将少量的离子——带电原子——一种叫做钕的金属直接添加到钙钛矿中。
他们发现，增强的钙钛矿不仅在暴露于光和热时更耐用，而且还能更有效地将光转化为电能。
“可再生能源至关重要，”通讯作者、加州大学洛杉矶分校萨穆埃利工程学院Carol and Lawrence E. Tannas, Jr. 工程学教授、加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所成员Yang Yang 说。“钙钛矿将改变游戏规则，因为它可以以硅不能的方式大量生产，而且我们已经确定了一种添加剂，可以使材料变得更好。”
卤化物钙钛矿将光能转化为电能的能力是由于其分子形成重复的立方体网格的方式。该结构通过带相反电荷的离子之间的键结合在一起。但是光和热往往会导致带负电的离子从钙钛矿中弹出，这会破坏晶体结构并降低材料的能量转换特性。
图中显示了未改变的钙钛矿分子（左）的结构，其中碘离子（紫色）迁移走了;以及添加了钕离子（红色）以帮助保留碘离子的钙钛矿分子。图片来源:杨实验室/加州大学洛杉矶分校
钕通常用于麦克风、扬声器、激光器和装饰玻璃。它的离子大小恰到好处，可以嵌入立方钙钛矿晶体中，并且它们带有三个正电荷，科学家们假设这有助于将带负电荷的离子固定在适当的位置。
研究人员为每 10,000 个钙钛矿分子添加了大约 8 个钕离子，然后测试了该材料在太阳能电池中的性能。在最大功率下工作并暴露在连续光照下超过 1000 小时，使用增强钙钛矿的太阳能电池将光转化为电能的效率保持在 93% 左右。相比之下，使用标准钙钛矿的太阳能电池在相同条件下 300 小时后会损失一半的功率转换效率。
该团队还在没有任何设备消耗电力的情况下连续照射太阳能电池，这加速了钙钛矿的降解。使用含钕钙钛矿的设备在 2000 多个小时后仍保持其 84% 的功率转换效率，而使用标准钙钛矿的设备在这段时间后没有保持任何效率。
为了测试这种材料承受高温的能力，研究人员将采用这两种材料的太阳能电池加热到大约 180华氏度。在 2000 多个小时后，具有增强钙钛矿的太阳能电池保持了约 86% 的效率，而标准钙钛矿设备在此期间完全失去了将光转换为电能的能力。
在之前的许多旨在使钙钛矿更耐用的研究中，研究人员已经尝试在材料中添加保护层，但基本上都失败了。增加材料本身的想法来自杨实验室的博士后研究员，主要作者赵叶品。赵说，他的灵感来自于硅半导体生产中常用的一种技术——添加少量其他化合物来改变材料的特性。
“离子往往像高速公路上的汽车一样穿过钙钛矿，这会导致材料分解，”赵说。“对于钕，我们确定了一个障碍来减慢交通速度并保护材料。”
杨说，这一进展可能有助于钙钛矿太阳能电池在未来两到三年内进入市场。参考文献:“通过间隙掺杂微量多价阳离子抑制金属卤化物钙钛矿中的离子迁移”，Yepin Zhao、Ilhan Yavuz、Minhuan Wang、Marc H. Weber、Mingjie Xu、Joo-Hong Lee、Shaun Tan、Tianyi Huang， Dong Meng, Rui Wang, Jingjing Xue, Sung-Joon Lee, Sang-Hoon Bae, Anni Zhang, Seung-Gu Choi, Yanfeng Yin, Jin Liu, Tae-Hee Han, Yantao Shi, Hongru Ma, Wenxin Yang, Qiyu Xing, Yifan Zhou、Pengju Shi、Sisi Wang、Elizabeth Zhang、Jiming Bian、Xiaoqing Pan、Nam-Gyu Park、Jin-Wook Lee 和 Yang Yang，2022 年 11 月 17 日，Nature Materials。DOI: 10.1038/s41563-022-01390-3
该研究的其他加州大学洛杉矶分校作者是 Shaun Tan、Tianyi Huang、Rui Wang 和获得博士学位的 Jingjing Xue;博士后研究员 Dong Meng 和 Tae-Hee Han;博士生杨文新、邢启宇;刚刚获得硕士学位的张安妮;和本科生周一凡和张伊丽莎白。其他共同作者来自土耳其马尔马拉大学、韩国成均馆大学、大连理工大学和中国西湖大学、华盛顿州立大学、加州大学欧文分校和圣路易斯华盛顿大学。该研究由美国能源部、韩国国家研究基金会、中国国家自然科学基金会和土耳其科学技术研究委员会资助。
