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研究人员发现氯在原子尺度上稳定太阳能电池的机制
揭开谜团：研究人员发现氯在原子尺度上稳定太阳能电池的机制
日本冲绳科学技术研究生院（OIST）能源材料与表面科学部的齐亚兵教授领导的一组研究人员对光吸收层表面的原子进行了成像。下一代太阳能电池，由称为金属卤化物钙钛矿的晶体材料制成。
他们的研究结果发表在《能源与环境科学》杂志上，解决了太阳能技术领域长期存在的谜团，展示了如何将可提高功率和稳定性的氯掺入钙钛矿材料中。
在一个现在由清洁、绿色能源需求推动的世界中，太阳能是摆脱气候危机的重要途径。金属卤化物钙钛矿是一种新兴材料，许多研究人员希望有一天能够超越或补充目前主导市场的硅太阳能电池。
钙钛矿有可能比硅更便宜、更高效、用途更广，第一作者、前博士学位的 Afshan Jamshaid 博士说。OIST 能源材料和表面科学部门的学生。
但目前，钙钛矿太阳能电池在效率、规模化和稳定性方面存在问题，阻碍了它们的商业化。Jamshaid 博士解释说，高温、潮湿和紫外线会使钙钛矿材料降解，从而降低其将光能转化为电能的能力。
在过去的十年中，研究人员一直专注于解决这些问题。改进钙钛矿太阳能电池的一种方法是使用掺杂剂——在制造钙钛矿晶体层的过程中添加的少量另一种化学物质。掺杂剂改变了材料的物理和化学特性，提高了太阳能设备的稳定性和效率。
一种这样的掺杂剂是氯，它已被证明可以延长钙钛矿太阳能电池的寿命并提高其功率转换效率。但直到现在，这种掺杂剂的工作原理还是一个谜。
研究界不知道为什么他们会看到这些改进。一旦添加，研究人员就无法追踪氯——他们无法判断氯是否深入钙钛矿材料，留在表面，甚至离开了钙钛矿材料。制造过程中的材料， Jamshaid 博士说，大约 50% 的社区认为存在氯气，但其他 50% 的社区没有。
在这项研究中，研究小组最终通过制造掺有氯的金属卤化物钙钛矿、甲基铵碘化铅薄膜来解决争论。他们使用尖端扫描隧道显微镜对钙钛矿层的表面进行成像。
只有通过放大到原子水平，我们终于能够检测到氯确实存在，只是浓度非常低，Jamshaid 博士说。
研究小组发现，在纯甲基铵碘化铅钙钛矿薄膜中看不到的表面有黑色凹陷。
通过中国苏州大学的合作者尹万建教授和郭振东博士进行的理论计算，研究人员得出结论，这些黑暗的凹陷意味着尺寸较小的氯取代了钙钛矿晶体结构中松散结合的碘。 .
研究小组还注意到，钙钛矿薄膜的晶界周围出现了更多这些暗压痕。
钙钛矿层不是均匀的晶格，而是由许多不同的晶粒组成。正是由于晶粒之间的这些裂缝，称为晶界，钙钛矿本质上是如此不稳定。
紫外线、温度或水分的大部分降解发生在这些晶界处，因为这里的离子结合松散得多，Jamshaid 博士说。
该团队怀疑，通过减少表面缺陷的数量，这些晶界周围氯含量的增加可能是材料稳定性和效率增加的原因。
重要的是，研究人员发现，当他们通过改变氯沉积的时间长度来改变钙钛矿薄膜中氯的浓度时，材料的表面结构和电子特性也会发生变化。
在最短的沉积时间内，该团队无法在钙钛矿材料表面检测到任何氯。在最长的沉积时间内，氯在钙钛矿顶部形成了一层额外的离子，这极大地改变了电子特性。
研究人员能够计算出达到最佳位置的中间沉积时间——在表面上提供最佳浓度的氯——大约 14.8%。该浓度使钙钛矿材料具有高稳定性。
研究小组的下一步是制造一个完整的太阳能电池，该电池包含一个掺杂有这种最佳氯浓度的钙钛矿层。
这就是为什么像这样的基础研究如此重要的原因——它们帮助设备工程师确定最优化的制造过程，而无需过多的反复试验，Jamshaid 博士说，通过了解掺杂剂如何改善材料，它还可以指导我们寻找可能效果更好的新化学混合物。
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