下一代太阳能电池的缺陷可以通过光来治愈

研究人员已经证明，钙钛矿的分子结构缺陷 - 一种可以彻底改变太阳能电池行业的材料 - 可以通过将其暴露在光线和适当的湿度下来“治愈”。

国际研究团队在2016年证明了钙钛矿晶体结构的缺陷可以通过将它们暴露在光线下来治愈，但效果是暂时的。

现在，来自剑桥，麻省理工学院，牛津大学，巴斯大学和代尔夫特大学的扩大团队已经证明，这些缺陷可以永久愈合，这可以进一步加速廉价，高性能钙钛矿基太阳能电池的开发，与太阳能电池的效率相媲美。他们的研究结果在Cell Press出版的Joule期刊上发表。

目前市场上的大多数太阳能电池都是以硅为基础的，但由于它们生产成本高，能源密集，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。钙钛矿可能是这些替代品中最有前途的：它们便宜且易于生产，并且在短短几年的发展中，钙钛矿在将阳光转化为电能方面几乎与硅一样高效。

尽管有钙钛矿的潜力，但一些限制妨碍了它们的效率和一致性。钙钛矿的晶体结构中的微小缺陷(称为陷阱)可能导致电子在其能量被利用之前“卡住”。电子在太阳能电池材料中移动越容易，将光子，光粒子转换成电能的材料就越有效。

“在钙钛矿太阳能电池和LED中，你往往会因缺陷而失去很多效率，”Sam Stranks博士说，他是麻省理工学院和剑桥大学的玛丽居里研究员。“我们想知道这些缺陷的起源，以便我们能够消除这些缺陷并使钙钛矿更有效率。”

在2016年的一篇论文中，Stranks和他的同事们发现，当钙钛矿暴露在光照下时，碘离子 - 剥离电子的原子使它们携带电荷 - 从被照射的区域迁移出来，并在此过程中被扫除与该区域一起存在的缺陷。然而，这些影响虽然有希望，但是暂时的，因为当光被移除时离子迁移回到类似的位置。

在这项新研究中，该团队制造了一种基于钙钛矿的设备，采用与可扩展的卷对卷工艺兼容的技术进行印刷，但在设备完成之前，它们将其暴露在光，氧和湿度下。当暴露在潮湿环境中时，钙钛矿通常会开始降解，但研究小组发现，当湿度水平在40%到50%之间，并且暴露限制在30分钟时，不会发生降解。曝光完成后，沉积剩余的层以完成装置。

当光被施加时，电子与氧结合，形成超氧化物，可以非常有效地与电子陷阱结合并防止这些陷阱阻碍电子。在伴随的水存在下，钙钛矿表面也转变成保护壳。壳涂层从表面除去了陷阱，但也锁定了超氧化物，这意味着钙钛矿的性能改善现在是长寿命的。

“这是违反直觉的，但是应用湿度和光线使得钙钛矿太阳能电池更加发光，如果你想要高效的太阳能电池，这一特性非常重要，”现任剑桥卡文迪什实验室的斯特兰克斯说。“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它一直提升到100%，这意味着我们可以没有电压损失 - 但仍有很多工作要做做了。”