宾夕法尼亚州立大学：发现卤化钙钛矿新特性，有望成为硅太阳能电池替代品

宾夕法尼亚州立大学的一组研究人员利用超快红外成像技术（左下图）发现，卤化钙钛矿光伏材料的显著电性能源于其晶格（顶部）中原子的大规模运动（右下）。图片来源：宾夕法尼亚州阿斯伯里实验室

对如何让某类光伏材料有效地将太阳光转化为电能的新想法，可以促进发展这些光伏材料取代传统的硅太阳能电池。宾夕法尼亚州立大学的研究人员进行的一项研究揭示了这些廉价且快速生产的卤化钙钛矿的独特性质，这些信息将指导下一代太阳能电池的发展。该研究于9月27日报道于Chem杂志上。

这篇文章的作者，宾夕法尼亚州立大学化学专业副教授John Asbury说道，“自从可以在屋顶和路边发现硅太阳能电池以来，研究人员一直在寻找更容易加工成太阳能电池的新型光伏材料，这是因为硅太阳能电池的建设很复杂，难以扩大到他们所需的水平，甚至只可以产生10％的总电力需求。”

由于这些复杂性，研究人员一直在寻找更便宜的硅太阳能电池替代品，可以更快地加工。他们对可以使用卷对卷技术加工的材料特别感兴趣，这种技术类似于用于印刷报纸的技术，可以实现低成本，大批量生产。这些材料必须从溶液中加工，如印在页面上的油墨。

Asbury说：“经过对这类材料近四十年的深入研究，除了一种被称为卤化物钙钛矿的材料外，没有任何东西可以接近硅，卤化物钙钛矿似乎具有对其结构中的缺陷的独特的耐受性，能够有效地将太阳光转化为电能，而其他具有类似缺陷的材料则不能。”

然而，在这项研究之前，卤素钙钛矿如此容忍缺陷的原因尚不清楚。研究人员使用超快红外成像技术研究这些材料的结构和成分如何影响其将太阳光转化为电能的能力。

研究人员确定，即使晶体中的原子经历异常大规模的振动，卤素钙钛矿也具有保持晶体结构的独特能力。所有材料都经历原子的振动，通过使材料晶体像硅一样非常硬而抑制这种振动，从而使它们的原子牢固地固定在原位。但是，根据目前的研究，卤化物钙钛矿非常柔软，这使得它们的原子可以四处移动并有助于提高它们的效率。

Asbury说，“有趣的是，这种大规模的原子运动通常会导致其他材料中晶体结构的损失，从而产生消耗激发态能量的缺陷，但是对于卤化钙钛矿，研究人员可以用化学方法替代材料中带电荷的原子来调整这种原子尺度运动的振幅。这将使我们能够改善卤化钙钛矿材料的性能和稳定性。”

“目前，卤化物钙钛矿通常含有铅等有毒元素，并且它们还不像需要更换硅太阳能电池那样稳定，这项研究的见解将使我们能够创建使用卷对卷加工设计制成新的卤化钙钛矿的规则。这将指导下一代钙钛矿材料的开发，这些材料会更稳定，含有较少的有毒元素，如锡而不是铅。”

原文来自phys，原文题目：Shake, rattle, and roll to high efficiency photovoltaics，由材料科技在线团队翻译整理。