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「电气技术」揭开钙钛矿太阳能电池“效率缺陷”之谜

近年来 ， 钙钛矿成为太阳能电池研究的新宠 。 相比于共棱、共面形式连接的结构 ， 具有特定晶体结构的钙钛矿更加稳定 ， 更有利于缺陷的扩散迁移 。 因此 ， 钙钛矿具备了许多优异的物理化学特性 ， 如电催化性、吸光性等 。
同时 ， 钙钛矿结构非常适合作为太阳能电池吸收光线的活性层 ， 因为它们吸收光线的效率比硅更高 ， 转换效率潜力更大 ， 且制作工艺简单、成本低、更绿色 ， 近年来钙钛矿电池已逐渐成为硅太阳能电池的替代品 。
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然而 ， 钙钛矿材料制作的太阳能电池 ， 往往会出现明显的性能损失和不稳定性 ， 确切的物理原因依然成谜 。 迄今为止 ， 大多数研究都集中在消除这些性能损失的方法上 。
通常而言 ， 当光线照射钙钛矿太阳能电池时 ， 或者当电流通过钙钛矿LED时 ， 电子被激发 ， 跳跃到更高的能态 。 带负电荷的电子留下了空白（也称为“空穴”） 。 受激发的电子与“空穴”都可以通过钙钛矿材料 ， 因此可成为载流子 。
但是 ， 在钙钛矿中会产生一种称为“深阱”的特定类型缺陷 ， 带电的载流子会陷入其中 。 这些被困的电子与“空穴”重新结合 ， 它们的能量以热量形式丧失 ， 而不是转化为有用的电力或者光线 ， 显著降低了太阳能板的效率 。 人们对于这些陷阱的成因知之甚少 。
近日 ， 由剑桥大学、冲绳科技大学研究生院（OIST）的科学家 ， 确定了钙钛矿材料中限制效率的缺陷根源所在 ， 这一发现可以提高钙钛矿的应用效率 ， 使钙钛矿更快走向大规模生产与应用 。
据2015年的研究发现 ， 钙钛矿的黑暗区域与太阳能电池或LED的功率损耗相对应 ， 由于标准成像技术的局限性 ， 无法分辨出较暗的区域是由一个大的陷阱位点还是许多较小的陷阱引起的 ， 因此很难确定为什么它们仅在某些区域形成 。
之后 ， 研究人员通过观察光照射后电荷在材料或设备中的移动方式 ， 发现了电荷在什么位置被捕获 。 但这些损耗很难以可视化的方式显现 ， 因为他们移动得非常快（约十亿分之一秒的百万分之一的时间） ， 且距离非常短的（约十亿分之一米的长度） 。
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因此 ， 他们的当务之急是解决钙钛矿中暗区的可视化问题 。 基于此 ， 该研究团队首次在钙钛矿上使用了一种被称为“光发射电子显微镜（PEEM）”的技术 。 他们用紫外线探测材料 ， 并用发射的电子形成一幅图像 。 当他们查看材料时 ， 发现黑暗区域包含陷阱 ， 长度约10～100纳米 ， 是由较小原子尺寸的陷阱位点组成的簇 ， 而这些陷阱簇不均匀地分布在整个钙钛矿材料中 。
值得注意的是 ， 当研究人员将陷阱位置的图像叠加到显示钙钛矿材料晶粒的图像上时 ， 他们发现陷阱簇仅在特定位置形成 ， 位于某些晶粒之间的边界处 。 通过进一步的研究 ， 他们发现陷阱簇仅在结点处形成 ， 结点处材料的结构略有变形 ， 而结点处的区域则为原始结构 。
据介绍 ， 钙钛矿中有一些规则的镶嵌材料 ， 大多数的晶粒又优质又原始 ， 这是人们所期望的结构 。 但每隔一段时间 ， 会出现一个略微扭曲的颗粒 ， 并且该颗粒的化学性质是不均匀的 。 但扭曲的颗粒并不是陷阱 ， 而是当那个扭曲颗粒遇到一个原始颗粒时 ， 陷阱就在它们的结点处形成 。
研究人员表示 ， 虽然仍无法准确地知道为什么陷阱聚集在结点处 ， 但是它们确实在那里形成 ， 并且只在那里 。 这意味着 ， 可以有针对性地提升钙钛矿的性能 ， 如针对这些非均匀相 ， 或以某种方式去除这些结点处 。
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