近年来，一种新型太阳能技术似乎很有前途。卤化物钙钛矿太阳能电池既高性能又低成本地生产电能 - 这是未来任何成功的太阳能技术的两个必要成分。但新的太阳能电池材料也应该与硅基太阳能电池的稳定性相匹配，硅基太阳能电池的可靠性超过25年。
在新发表的研究中，由佐治亚理工学院材料科学与工程学院助理教授Juan-Pablo Correa-Baena领导的一个团队表明，卤化物钙钛矿太阳能电池的稳定性不如以前认为的那么低。他们的工作揭示了电池界面层内发生的热不稳定性，但也为卤化物钙钛矿太阳能技术的可靠性和效率提供了一条前进的道路。
他们的研究于 2022 年 <> 月作为《先进材料》杂志的封面故事发表，对在光伏中研究钙钛矿的学者和行业专业人士都有直接影响，光伏是一个与太阳光产生的电流有关的领域。
卤化铅钙钛矿太阳能电池有望将太阳光转化为电能。目前，从这些细胞中诱导高转换效率的最常见策略是用称为阳离子的大带正电荷的离子处理其表面。
这些阳离子太大而无法装入钙钛矿原子级晶格中，并且在落在钙钛矿晶体上时，会在沉积它们的界面处改变材料的结构。由此产生的原子级缺陷限制了从太阳能电池中提取电流的效率。尽管意识到这些结构变化，但对阳离子在沉积后是否稳定的研究有限，在理解可能影响卤化物钙钛矿太阳能电池长期生存能力的过程方面存在差距。
“我们担心的是，在长时间的太阳能电池运行期间，界面的重建将继续，”Correa-Baena说。“因此，我们试图理解并展示这个过程是如何随着时间的推移而发生的。
为了进行实验，该团队使用典型的钙钛矿薄膜创建了一个太阳能样品装置。该设备具有八个独立的太阳能电池，使研究人员能够根据每个电池的性能进行实验和生成数据。他们研究了在有和没有阳离子表面处理的情况下，细胞的表现如何，并使用基于同步加速器的X射线表征技术研究了每个细胞在长时间热应力之前和之后的阳离子修饰界面。
首先，研究人员将预处理过的样品暴露在100摄氏度下40分钟，然后使用X射线光电子能谱测量其化学成分的变化。他们还使用另一种类型的X射线技术来精确研究薄膜表面形成的晶体结构类型。结合来自这两种工具的信息，研究人员可以可视化阳离子如何扩散到晶格中以及界面结构在暴露于热时如何变化。
接下来，为了了解阳离子诱导的结构变化如何影响太阳能电池的性能，研究人员与佐治亚理工学院物理和化学教授Carlos Silva合作采用了激发相关光谱。该技术将太阳能电池样品暴露在非常快的光脉冲下，并检测每个脉冲后薄膜发出的光强度，以了解光的能量是如何损失的。这些测量使研究人员能够了解哪些表面缺陷对性能有害。
最后，该团队将结构和光电特性的变化与太阳能电池效率的差异联系起来。他们还研究了两种最常用的阳离子中高温引起的变化，并观察了它们界面的动力学差异。
“我们的工作表明，用某些阳离子治疗会带来不稳定性，”Correa-Baena实验室的研究科学家，该论文的第一作者Carlo Perini说。“但好消息是，通过对接口层进行适当的工程设计，我们将在未来看到这项技术的稳定性增强。
研究人员了解到，用有机阳离子处理的金属卤化物钙钛矿薄膜的表面在热应力下在结构和成分上不断演变。他们发现，界面上由此产生的原子尺度变化会导致太阳能电池功率转换效率的显着损失。此外，他们发现这些变化的速度取决于所使用的阳离子类型，这表明稳定的界面可能通过分子的充分工程来实现。
“我们希望这项工作将迫使研究人员在高温下测试这些界面，并寻求不稳定问题的解决方案，”Correa-Baena说。“这项工作应该为科学家指明正确的方向，进入他们可以关注的领域，以便建立更高效，更稳定的太阳能技术。
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