西北大学的研究人员再次提高了钙钛矿太阳能电池的标准，其新发展帮助这项新兴技术创下了效率新记录。
西北大学在钙钛矿太阳能电池方面的最新研究，利用新型双分子方法减少电子复合，创下了 25.1% 的新效率记录。这一进展标志着钙钛矿太阳能电池成为传统硅基电池更高效、更稳定的替代品的重要一步。图片来源：萨金特实验室/西北大学
研究人员通过利用分子组合来解决各种问题，从而提高了电池效率。西北大学的研究人员再次提高了钙钛矿太阳能电池的标准，其新发展帮助这项新兴技术创下了效率新记录。
该研究结果最近发表在《科学》杂志上，描述了一种双分子解决方案，可以克服阳光转化为能量时的效率损失。通过首先结合一种分子来解决所谓的表面复合问题，即电子在被缺陷（表面上缺失的原子）捕获时会丢失，然后结合第二种分子来破坏层间界面的复合，该团队实现了可再生能源能源实验室 (NREL) 认证的效率为 25.1%，而早期方法的效率仅为 24.09%。
专注于界面复合
“钙钛矿太阳能技术正在快速发展，研究和开发的重点正在从体吸收器转向界面，”西北大学教授特德·萨金特说。 “这是进一步提高效率和稳定性的关键点，并使我们更接近这条有前途的更高效太阳能收集之路。”
萨金特是 Paula M. Trienens 可持续发展与能源研究所（原 ISEN）的联合执行主任，也是材料化学和能源系统领域的多学科研究员，曾在温伯格艺术与科学学院化学系和麦考密克工程学院电气与计算机工程系。
传统的太阳能电池由高纯度硅片制成，生产过程需要消耗大量能源，并且只能吸收固定范围的太阳光谱。钙钛矿材料的尺寸和成分可以通过调整来“调节”它们吸收的光的波长，这使其成为一种有利的、潜在的低成本、高效的新兴串联技术。
历史上，钙钛矿太阳能电池由于其相对不稳定而一直面临提高效率的挑战。在过去的几年里，萨金特实验室和其他实验室的进步已经使钙钛矿太阳能电池的效率达到了与硅可实现的相同范围内。
电子保留方面的进展
在目前的研究中，该团队并没有试图帮助电池吸收更多的阳光，而是关注维持和保留生成的电子以提高效率的问题。当钙钛矿层接触电池的电子传输层时，电子从一个层移动到另一个层。但电子可以向外移动并填充钙钛矿层上存在的空穴，或者与钙钛矿层上存在的空穴“重新组合”。
“界面处的重组很复杂，”第一作者程刘（Cheng Liu）说，他是萨金特实验室的博士后学生，该实验室由 Charles E. 和 Emma H. Morrison 化学教授 Mercouri Kanatzidis 共同指导。 “使用一种类型的分子来解决复杂的重组并保留电子是非常困难的，因此我们考虑了可以使用哪种分子组合来更全面地解决问题。”
萨金特团队过去的研究发现证据表明，一种分子 PDAI 2 在解决界面重组方面表现出色。接下来，他们需要找到一种能够修复表面缺陷并防止电子与其重新结合的分子。
双分子方法和未来的工作
通过找到允许 PDAI 2 与二级分子一起工作的机制，研究小组将目光集中在硫上，硫可以取代碳基团（通常不擅长阻止电子移动）以覆盖缺失的原子并抑制重组。
该小组最近在《自然》杂志上发表的一篇论文开发了一种用于钙钛矿层下方基底的涂层，以帮助电池在更高的温度下工作更长时间。刘表示，该解决方案可以与《科学》论文中的发现相结合。
虽然该团队希望他们的发现能够鼓励更大的科学界继续推进这项工作，但他们也将致力于后续工作。
“我们必须使用更灵活的策略来解决复杂的接口问题，”程说。 “我们不能像人们以前那样只使用一种分子。我们使用两个分子来解决两种复合，但我们确信界面处存在更多种类的与缺陷相关的复合。我们需要尝试使用更多的分子聚集在一起，并确保所有分子一起工作而不破坏彼此的功能。”
参考文献：
“双分子钝化界面实现高效稳定的倒置钙钛矿太阳能电池”，作者：Cheng Liu、Yi Yang、Hao Chen、Jian Xu、Ao Liu、Abdulaziz S. R. Bati、Huihui Zhu、Luke Grater、Shreyash Sudhakar Hadke、Chuying Huang、Vinod K Sangwan、Tong Cai、Donghoon Shin、Lin X. Chen、Mark C. Hersam、Chad A. Mirkin、Bin Chen、Mercouri G. Kanatzidis 和 Edward H. Sargent，2023 年 11 月 16 日，《科学》。
DOI：10.1126/science.adk1633
该论文得到了美国商务部、国家标准与技术研究院（作为分层材料设计中心 (CHiMaD) 的一部分）的资助，编号为 70NANB19H005，部分得到了 OSR-CRG2020-4350.2 的支持，此外还得到了海军研究办公室（N00014-20-1-2572、N00014-20-1-2725）、陆军研究办公室（W911NF-23-1-0141、W911NF-23-1-0285）以及谢尔曼·费尔柴尔德基金会，公司）。这项工作利用了西北大学 NUANCE 中心的 SPID、EPIC 和 Keck-II 设施，该中心得到了 SHyNE 资源 (NSF ECCS-2025633)、国际纳米技术研究所、西北大学和西北大学 5 MRSEC 项目 ( NSF DMR-1720139）。电荷传输表征得到了西北大学美国国家科学基金会 (NSF) 材料研究科学与工程中心 (DMR-1720319) 的支持。