钙钛矿材料改进一小步，薄膜太阳能电池性能提升一大步

如图所示：研究人员用来测试钙钛矿性能的后反射器表面。每个象限是不同的表面材料，其分别为：金，钛，钯或二氧化硅化合物，钙钛矿材料将沉积在其上用于实验测试。图片来源：华盛顿大学

太阳能电池是从太阳光中吸收光子并将其能量转换为移动电子的装置，这样不仅能够产生清洁能源，还可以提供一条可靠的途径来帮助人们应对气候变化。但是今天广泛使用的大多数太阳能电池都是厚厚的，易碎的和坚硬的，这限制了它们在平坦表面上的应用并且增加了制造太阳能电池的成本。

“薄膜太阳能电池”可以是一张纸厚度的1/100，并且足够灵活，其可以使从空气动力学汽车到服装的各种表面变得更光滑。为了制造薄膜太阳能电池，科学家们正在试图超越经典的半导体化合物材料，如砷化镓或硅。转而用其他可能更廉价，更容易大规模生产的捕光化合物取代之。如果这些化合物的性能可以与今天的技术那样表现良好，它们就可以被广泛用来生产。

今年春天的时候，华盛顿大学的科学家们在“Nature Photonics”杂志发表的一篇论文中报道：原型半导体薄膜在发光方面的表现甚至超过了当今最好的太阳能电池材料。

“这听起来可能很奇怪——太阳能电池可以吸收光线并将其转化为电能，但是最好的太阳能电池材料也能很好地发光，”该论文的共同作者兼华盛顿大学化学工程教授Hugh Hillhouse说道，他同时也是华盛顿大学清洁能源研究所和分子工程与科学研究所的一名教员。实际上，通常太阳能电池发光的效率越高，它们产生的电压就越大。”

华盛顿大学的团队通过“表面钝化”的工艺在这种材料上（名为卤化铅—钙钛矿）取得了创纪录的性能，这种“表面钝化”的工艺可以处理瑕疵并降低材料吸收光子最终被浪费而不是转化为有用能量的可能性。

“钙钛矿型太阳能电池的一个大问题是：过多的吸收阳光最终会导致热能的浪费，而不是转化为有用电。”文章的联合作者David Ginger说，（他是华盛顿大学化学教授兼CEI首席科学家）“我们希望像这样的表面钝化策略将有助于提高钙钛矿型太阳能电池的性能和稳定性。”

在Ginger和Hillhouse团队的共同努力下，证明了钙钛矿的表面钝化能够使性能大幅提升，使这种材料成为薄膜太阳能电池的最佳选择之一。他们尝试使用各种化学品进行表面钝化，最终找到一种名为TOPO的有机化合物，这种化合物将钙钛矿的性能提升到了接近最佳砷化镓半导体材料的水平。

“我们在华盛顿大学的团队是第一个发现钙钛矿材料表面性能限制缺陷的团队之一，现在我们很高兴能够发现一种用TOPO分子进行这些表面化学工程改造的有效方法，”本文的共同作者兼麻省理工学院的博士后研究员Dane deQuilettes说。他在华盛顿大学攻读化学博士生期间参与了这项研究。“起初，我们很惊讶地发现，钝化材料似乎与砷化镓一样好，因为砷化镓保持了太阳能电池效率的最高记录。因此，为了再次验证我们的结果，我们设计了几种不同的方法来确认钙钛矿材料质量的改善。

DeQuilettes和论文的共同作者——化学工程博士生Ian Braly进行了这项研究，结果表明TOPO处理钙钛矿半导体会显著影响其内部和外部光致发光量子效率，其可用于确定半导体材料有多好的指标利用吸收的光子的能量而不是将其作为热量丢失。TOPO处理的钙钛矿的内部光致发光量子效率由9.4％增加到了接近92％，效率提高了约十倍。

“我们的测量观察了钝化后的钙钛矿吸收和发光的效率，结果表明，没有固有的材料缺陷阻碍太阳能电池的进一步改进。”Braly说。“此外，通过将发射光谱拟合成一个理论模型，我们发现这些材料可以产生的电压为理论最大值的97％，相当于世界纪录的砷化镓太阳能电池，远远高于仅达到84％的电压记录的硅电池。”

从理论上讲，这些材料质量的改善可以使得在常规日照水平下太阳能电池的光—电功率转换效率达到27.9％，这将推动钙钛矿基的光伏记录超过最好的硅器件。

研究人员表示，钙钛矿的下一步计划是演示一种与易于制造的电极兼容的类似的化学钝化，并对其他类型的表面钝化进行实验。

DeQuilettes说：“钙钛矿已经在光伏器件方面取得了前所未有的成功，但还有很大的改进空间。在这里，我们认为我们为社会提供了一种更好地利用太阳能的方法。”

原文来自phys.原文题目：Researchers boost performance quality of perovskites，由材料科技在线团队翻译整理。