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2023-02-13 10:59

研究揭示了太阳能电池的热不稳定性

华盛顿,2月12日(ANI):近年来,一种新型太阳能技术似乎很有前景。卤化物钙钛矿太阳能电池在产生电能方面既高性能又低成本,这是未来任何成功的太阳能技术的两个必要成分。但是新的太阳能电池材料也应该与硅基太阳能电池的稳定性相匹配,后者拥有超过25年的可靠性。

在最新发表的研究中,由乔治亚理工学院材料科学与工程学院助理教授Juan-Pablo Correa-Baena领导的团队表明,卤化物钙钛矿太阳能电池的稳定性比之前想象的要低。他们的工作揭示了发生在电池界面层内的热不稳定性,但也为卤化物钙钛矿太阳能技术的可靠性和效率提供了一条前进的道路。他们的研究于2022年12月作为《先进材料》杂志的封面故事发表,对在光伏领域研究钙钛矿的学者和行业专业人士都有直接的影响,光伏是一个与阳光产生的电流有关的领域。

卤化铅钙钛矿太阳能电池有望将阳光转化为电能。目前,从这些电池中获得高转换效率的最常见策略是在它们的表面处理大量的正电荷离子,即阳离子。

这些阳离子太大了,无法放入钙钛矿原子尺度的晶格中,并且,当它们落在钙钛矿晶体上时,在它们沉积的界面处改变了材料的结构。由此产生的原子尺度缺陷限制了从太阳能电池中提取电流的效率。尽管已经意识到这些结构变化,但关于沉积后阳离子是否稳定的研究仍然有限,这在理解可能影响卤化物钙钛矿太阳能电池长期生存能力的过程方面留下了空白。

Correa-Baena说:“我们担心的是,在太阳能电池长时间运行期间,界面的重建将继续进行。”“所以,我们试图理解和演示这个过程是如何随着时间的推移发生的。”

为了进行实验,该团队使用典型的钙钛矿薄膜制作了一个太阳能设备样本。该设备具有八个独立的太阳能电池,使研究人员能够根据每个电池的性能进行实验并生成数据。他们研究了细胞在有和没有阳离子表面处理时的表现,并使用基于同步加速器的x射线表征技术研究了每个细胞在长时间热应力前后的阳离子修饰界面。

首先,研究人员将预处理过的样品暴露在100摄氏度下40分钟,然后用x射线光电子能谱测量它们化学成分的变化。他们还使用了另一种x射线技术来精确研究薄膜表面形成的晶体结构类型。结合来自这两种工具的信息,研究人员可以看到阳离子如何扩散到晶格中,以及当暴露在高温下时界面结构如何变化。

接下来,为了了解阳离子诱导的结构变化如何影响太阳能电池的性能,研究人员与佐治亚理工学院的物理和化学教授卡洛斯·席尔瓦(Carlos Silva)合作,使用了激发相关光谱技术。该技术将太阳能电池样品暴露在非常快的光脉冲下,并检测每个脉冲后薄膜发出的光强度,以了解光的能量是如何损失的。测量使研究人员能够了解什么样的表面缺陷对性能有害。

最后,研究小组将结构和光电特性的变化与太阳能电池效率的差异联系起来。他们还研究了两种最常用的阳离子在高温下引起的变化,并观察了它们界面上的动力学差异。

Correa-Baena实验室的研究科学家、该论文的第一作者Carlo Perini说:“我们的工作揭示了使用某些阳离子处理会带来不稳定性。”“但好消息是,通过对界面层进行适当的工程设计,我们将在未来看到这项技术的稳定性增强。”

研究人员发现,在热应力作用下,经有机阳离子处理的金属卤化物钙钛矿薄膜表面的结构和成分不断变化。他们发现,在界面处产生的原子尺度变化会导致太阳能电池能量转换效率的重大损失。此外,他们发现这些变化的速度取决于所使用的阳离子类型,这表明只要对分子进行充分的设计,稳定的界面可能是可以达到的。

“我们希望这项工作将迫使研究人员在高温下测试这些界面,并寻求不稳定性问题的解决方案,”Correa-Baena说。“这项工作应该为科学家指明正确的方向,指出一个他们可以专注的领域,以便建立更高效和稳定的太阳能技术。”(ANI)