下一代太陽能電池的缺陷可以用光來修復(fù)

研究人員已經(jīng)證明，鈣鈦礦的分子結(jié)構(gòu)缺陷——一種可能會給太陽能電池行業(yè)帶來革命性變化的材料——可以通過將其暴露在光照和適當(dāng)?shù)臐穸认隆爸斡薄?/p>

2016年，國際研究團(tuán)隊(duì)證明，鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的缺陷可以通過暴露在光下修復(fù)，但效果是暫時的。

現(xiàn)在，來自劍橋、麻省理工、牛津、巴斯和代爾夫特的一個擴(kuò)大的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，這些缺陷可以被永久治愈，這可能會進(jìn)一步加速開發(fā)廉價、高性能的基于鈣鈦礦的太陽能電池，其效率可與硅媲美。他們的研究結(jié)果發(fā)表在由細(xì)胞出版社出版的《焦耳》雜志的創(chuàng)刊號上。

目前市場上的大多數(shù)太陽能電池都是以硅為基礎(chǔ)的，但是由于它們的生產(chǎn)成本高且能源消耗大，研究人員一直在尋找太陽能電池和其他光伏電池的替代材料。鈣鈦礦也許是這些替代品中最有前途的:它們價格低廉，易于生產(chǎn)，而且在短短幾年的開發(fā)中，鈣鈦礦在將陽光轉(zhuǎn)化為電能方面的效率幾乎與硅一樣高。

盡管鈣鈦礦具有潛力，但一些限制限制了它們的效率和一致性。鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)中的微小缺陷，即所謂的“陷阱”，會導(dǎo)致電子在其能量被利用之前就被“卡住”。電子在太陽能電池材料中越容易移動，這種材料將光子(光的粒子)轉(zhuǎn)化為電能的效率就越高。

“在鈣鈦礦太陽能電池和發(fā)光二極管中，由于缺陷，你往往會失去很多效率，”薩姆·斯特蘭克斯博士說，他在麻省理工學(xué)院和劍橋大學(xué)共同擔(dān)任瑪麗·居里研究員期間領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究?！拔覀兿胫廊毕莸膩碓矗@樣我們就能消除缺陷，提高鈣鈦礦的效率?！?/p>

在2016年的一篇論文,Stranks和他的同事們發(fā)現(xiàn),鈣鈦礦暴露于照明時,碘離子,原子的電子,這樣他們攜帶電荷遷移,遠(yuǎn)離明亮的區(qū)域,在這個過程中,沖走的大多數(shù)缺陷區(qū)域。然而，這些效果雖然很有希望，但只是暫時的，因?yàn)楫?dāng)光線被移開時，離子會遷移回相似的位置。

在這項(xiàng)新研究中，研究小組制造了一種基于鈣鈦礦的設(shè)備，使用與可擴(kuò)展的卷到卷工藝兼容的技術(shù)進(jìn)行打印，但在設(shè)備完成之前，他們將其暴露在光線、氧氣和濕度中。鈣鈦礦暴露在潮濕環(huán)境下通常會開始降解，但研究小組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濕度在40%至50%之間，且暴露時間限制在30分鐘內(nèi)，鈣鈦礦不會發(fā)生降解。一旦曝光完成，剩下的層被沉積下來完成設(shè)備。

當(dāng)施加光線時，電子與氧結(jié)合，形成一種超氧化物，可以非常有效地與電子陷阱結(jié)合，并阻止這些陷阱阻礙電子。伴隨著水的存在，鈣鈦礦表面也被轉(zhuǎn)化成一個保護(hù)性的外殼。外殼涂層除去了表面的陷阱，但也鎖住了超氧化物，這意味著鈣鈦礦的性能改善現(xiàn)在是長期存在的。

“這是違反直覺的，但是使用濕度和光會使鈣鈦礦太陽能電池更發(fā)光，如果你想要高效的太陽能電池，這個特性是非常重要的，”斯特蘭克說，他現(xiàn)在在劍橋的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室工作?！拔覀円呀?jīng)看到發(fā)光效率從1%提高到89%，我們認(rèn)為我們可以將發(fā)光效率一直提高到100%，這意味著我們不會有電壓損失——但仍有很多工作要做。”