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一个氢空位(中间左边的黑点)通过从甲基铵分子中去除氢而产生,在典型的杂化钙钛矿,甲基铵碘化铅CH3NH3Pbl3中捕获载体
一个氢空位(中间左边的黑点)通过从甲基铵分子中去除氢而产生,在典型的杂化钙钛矿,甲基铵碘化铅CH3NH3Pbl3中捕获载体

文摘:
加州大学圣巴巴拉分校工程学院材料系的研究人员发现了新一代太阳能电池效率受限的一个主要原因。

混合钙钛矿中的氢:研究人员发现了限制太阳能电池性能的缺陷

圣巴巴拉,CA |发布于2021年4月30日

混合钙钛矿晶格中可能存在的各种缺陷曾被认为是造成这些限制的潜在原因,但人们认为有机分子(造成“混合”绰号的成分)将保持完整。现在,尖端计算显示,这些分子中缺少氢原子会导致巨大的效率损失。这一发现发表在4月29日出版的《自然材料》杂志上,题为“最小化氢空位使高效杂化钙钛矿成为可能”。

混合钙钛矿卓越的光伏性能已经创造了巨大的兴奋,因为他们有潜力推进太阳能电池技术。“杂化”是指有机分子嵌入无机钙钛矿晶格中,其晶体结构类似于钙钛矿矿物(钙钛氧化物)。这种材料的能量转换效率可与硅相媲美,但生产成本更低。然而,钙钛矿晶格中的缺陷会以热能的形式产生不必要的能量耗散,这限制了效率。

许多研究团队一直在研究这类缺陷,其中包括UCSB材料教授Chris Van de Walle的团队,他们最近取得了一项突破,在一个之前没有人注意到的地方发现了一个有害的缺陷:有机分子。

“甲基碘化铅铵是典型的杂化钙钛矿,”该项目的首席研究员谢章解释说。“我们发现,打破其中一个键并去除甲基铵分子上的一个氢原子,这是令人惊讶的容易。由此产生的“氢空位”充当电荷的汇聚,这些电荷是由落在太阳能电池上的光产生的,然后通过晶体移动。当这些电荷在空位处被捕获时,它们就不能再做有用的工作,比如给电池充电或为电机供电,因此效率就会下降。”

这项研究是由范德瓦尔小组开发的高级计算技术实现的。这种先进的计算提供了材料中电子的量子力学行为的详细信息。Mark Turiansky是Van de Walle团队的一名研究生,他也参与了这项研究,他帮助建立了一种复杂的方法,将这些信息转化为载流子捕获速率的定量值。

“我们的团队已经创造了强大的方法来确定哪些过程会导致效率损失,”Turiansky说,“很高兴看到这种方法为一类重要的材料提供了如此有价值的见解。”

Van de Walle解释说:“计算就像一个理论显微镜,使我们能够以比实验获得的更高的分辨率观察材料。”“它们也构成了合理材料设计的基础。通过试验,发现甲基铵分子被甲酰胺取代的钙钛矿表现出更好的性能。我们现在可以把这种改进归因于在甲脒化合物中不太容易形成氢缺陷这一事实。

他补充说:“这一发现为经验确立的智慧提供了一个清晰的理论基础,即甲酰胺对于实现高效太阳能电池是必不可少的。”“基于这些基本见解,制造这种材料的科学家可以开发出抑制有害缺陷的策略,从而进一步提高太阳能电池的效率。”

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这项研究的资金由能源部科学办公室和基础能源科学办公室提供。这些计算是在国家能源研究科学计算中心进行的。

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联系人:
詹姆斯Badham


@ucsantabarbara

版权所有©加州大学圣巴巴拉分校

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