下一代太陽能電池的缺陷可以用光治愈

研究人員表明，鈣鈦礦分子結構中的缺陷(一種可以徹底改變太陽能電池行業的材料)可以通過將其暴露在光和適量的濕度下而得到“修復”。

國際研究人員團隊在2016年證明，鈣鈦礦的晶體結構缺陷可以通過將其暴露在光下進行修復，但這種影響是暫時的。

現在，來自劍橋大學，麻省理工學院，牛津大學，巴斯大學和代爾夫特大學的擴展團隊已經證明，這些缺陷可以得到永久修復，這可以進一步加速開發廉價，高性能，基于鈣鈦礦的太陽能電池，與硅的效率相媲美。 。他們的結果發表在Cell Press出版的Joule雜志的首期版本中。

當今市場上大多數太陽能電池都是基于硅的，但是由于它們昂貴且生產能耗大，因此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物中最有前途的：它們便宜且易于生產，并且在短短的幾年發展中，鈣鈦礦在將太陽光轉化為電能方面的效率幾乎與硅一樣。

盡管鈣鈦礦具有潛力，但某些局限性限制了它們的效率和一致性。鈣鈦礦晶體結構中的微小缺陷(稱為陷阱)會導致電子在利用能量之前被“卡住”。電子越容易在太陽能電池材料中移動，該材料將光子，光粒子轉換成電的效率就越高。

“在鈣鈦礦太陽能電池和LED中，由于缺陷，您往往會損失很多效率，”在麻省理工學院和劍橋大學共同擔任瑪麗居里學者的同時領導該研究的Sam Stranks博士說。“我們想知道缺陷的根源，以便我們消除它們并提高鈣鈦礦的效率。”

在2016年的一篇論文中，Stranks和他的同事發現，鈣鈦礦暴露在光照下時，碘離子-原子中的電子被剝離，使它們帶有電荷-遷移出光照區域，并在此過程中掃走了大部分該區域的缺陷以及它們。但是，這些效果雖然很有希望，但只是暫時的，因為移除光時離子遷移回了相似的位置。

在這項新研究中，研究小組制造了一種基于鈣鈦礦的設備，并使用與可伸縮的卷對卷工藝兼容的技術進行印刷，但是在該設備完成生產之前，他們將其暴露在光線，氧氣和濕氣中。鈣鈦礦暴露于濕氣中通常會開始降解，但研究小組發現，當濕度水平在40%至50%之間且暴露時間限制為30分鐘時，不會發生降解。曝光完成后，剩下的層將沉積以完成設備。

當施加光時，電子與氧結合，形成超氧化物，可以非常有效地與電子陷阱結合并防止這些陷阱阻礙電子。在伴隨水的存在下，鈣鈦礦表面也被轉化為保護殼。外殼涂層可以清除表面的陷阱，但也可以鎖定超氧化物，這意味著鈣鈦礦的性能改善現在可以長期使用。

“這是違反直覺的，但是施加濕度和光線會使鈣鈦礦型太陽能電池更具發光性，如果您想要高效的太陽能電池，這一特性非常重要，”現位于劍橋大學卡文迪許實驗室的Stranks說。“我們已經看到發光效率從1%提高到89%，我們認為我們可以將其提高到100%，這意味著我們可以沒有電壓損失-但是仍然有很多工作要做。”