前沿科技:下一代太阳能电池的缺陷可以用光来修复

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研究人员已经证明，钙钛矿的分子结构缺陷——一种可能会给太阳能电池行业带来革命性变化的材料——可以通过将其暴露在光照和适当的湿度下“治愈”。

2016年，国际研究团队证明，钙钛矿晶体结构的缺陷可以通过暴露在光下修复，但效果是暂时的。

现在，来自剑桥、麻省理工、牛津、巴斯和代尔夫特的一个扩大的团队已经证明，这些缺陷可以被永久治愈，这可能会进一步加速开发廉价、高性能的基于钙钛矿的太阳能电池，其效率可与硅媲美。他们的研究结果发表在由细胞出版社出版的《焦耳》杂志的创刊号上。

目前市场上的大多数太阳能电池都是以硅为基础的，但是由于它们的生产成本高且能源消耗大，研究人员一直在寻找太阳能电池和其他光伏电池的替代材料。钙钛矿也许是这些替代品中最有前途的:它们价格低廉，易于生产，而且在短短几年的开发中，钙钛矿在将阳光转化为电能方面的效率几乎与硅一样高。

尽管钙钛矿具有潜力，但一些限制限制了它们的效率和一致性。钙钛矿晶体结构中的微小缺陷，即所谓的“陷阱”，会导致电子在其能量被利用之前就被“卡住”。电子在太阳能电池材料中越容易移动，这种材料将光子(光的粒子)转化为电能的效率就越高。

“在钙钛矿太阳能电池和发光二极管中，由于缺陷，你往往会失去很多效率，”萨姆·斯特兰克斯博士说，他在麻省理工学院和剑桥大学共同担任玛丽·居里研究员期间领导了这项研究。“我们想知道缺陷的来源，这样我们就能消除缺陷，提高钙钛矿的效率。”

在2016年的一篇论文,Stranks和他的同事们发现,钙钛矿暴露于照明时,碘离子,原子的电子,这样他们携带电荷迁移,远离明亮的区域,在这个过程中,冲走的大多数缺陷区域。然而，这些效果虽然很有希望，但只是暂时的，因为当光线被移开时，离子会迁移回相似的位置。

在这项新研究中，研究小组制造了一种基于钙钛矿的设备，使用与可扩展的卷到卷工艺兼容的技术进行打印，但在设备完成之前，他们将其暴露在光线、氧气和湿度中。钙钛矿暴露在潮湿环境下通常会开始降解，但研究小组发现，当湿度在40%至50%之间，且暴露时间限制在30分钟内，钙钛矿不会发生降解。一旦曝光完成，剩下的层被沉积下来完成设备。

当施加光线时，电子与氧结合，形成一种超氧化物，可以非常有效地与电子陷阱结合，并阻止这些陷阱阻碍电子。伴随着水的存在，钙钛矿表面也被转化成一个保护性的外壳。外壳涂层除去了表面的陷阱，但也锁住了超氧化物，这意味着钙钛矿的性能改善现在是长期存在的。

“这是违反直觉的，但是使用湿度和光会使钙钛矿太阳能电池更发光，如果你想要高效的太阳能电池，这个特性是非常重要的，”斯特兰克说，他现在在剑桥的卡文迪什实验室工作。“我们已经看到发光效率从1%提高到89%，我们认为我们可以将发光效率一直提高到100%，这意味着我们不会有电压损失——但仍有很多工作要做。”