新方法：採用「鉀」提升新一代鈣鈦礦太陽能電池性能！

近日，英國劍橋大學領導的國際科研團隊發現，採用簡單的鉀溶液可以提高新一代太陽能電池的光電轉換效率，將更多的陽光轉化為電力。

背景

鈣鈦礦（Perovskite），是一類有著與鈦酸鈣（CaTiO3）相同晶體結構的材料。對於這種材料的具體結構，筆者之前的文章中多次介紹，這裡就不贅述了。

（圖片來源：維基百科）

相比以共棱、共面形式連接的結構，鈣鈦礦結構更加穩定，有利於缺陷的擴散遷移。因此，鈣鈦礦也具備了許多異乎尋常的物理化學特性，例如電催化性、吸光性等等。

鈣鈦礦材料的應用前景非常廣，例如光通信、數據存儲、太赫茲通信、太陽能電池領域。目前，備受關注和追捧的要屬鈣鈦礦太陽能電池。鈣鈦礦太陽能電池投入市場以及大規模應用指日可待，並有望引領未來太陽能電池市場的新走向。

韓國蔚山國立科技研究所（UNIST）發明的鈣鈦礦太陽能電池

（圖片來源：UNIST）

阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）採用鈣鈦礦納米晶體進行照明和數據通信

（圖片來源：KAUST）

瑞士洛桑聯邦理工學院採用鈣鈦礦材料進行數據存儲

（圖片來源：László Forró/瑞士洛桑聯邦理工學院 ）

雖然鈣鈦礦的發展潛力巨大，但是仍有一些因素阻礙了其效率和一致性。鈣鈦礦晶體結構中的小缺陷，也稱為「陷阱（traps）」，將引起電子在其能量能被利用之前產生「遲滯效應」。電子在太陽能電池材料中運動得越方便，材料將光子（光的粒子）轉化電力的效率就會越高。另外一個問題，就是在遭到光線照射時，離子會在太陽能電池中移動，從而引起能帶隙（bandgap）的變化，即材料吸收的光線顏色會發生變化。

創新

近日，英國劍橋大學（University of Cambridge ）領導的國際科研團隊發現，碘化鉀的加入可以修復缺陷，阻止離子運動，提升低成本鈣鈦礦太陽能電池的效率。這種新一代的太陽能電池可以作為效率提升層，放置於現有的硅基太陽能電池頂部，或者製作成單獨的太陽能電池或者彩色LED。研究結果發表於《自然（Nature）》雜誌。

鈣鈦礦晶體生成的原子尺度圖像

（圖片來源：Matt Klug）

技術

這項研究中用到的太陽能電池是基於金屬鹵化物鈣鈦礦，它們是一組很有前途的離子半導體材料，只有短短几年的開發歷史，但是現在從光電轉換效率方面來說，它們可與商用的薄膜光伏技術相媲美。鈣鈦礦廉價且易於在低溫條件下製造，這使得它們非常適合下一代太陽能電池和照明。

研究的領頭人、劍橋大學卡文迪什實驗室的博士 Sam Stranks 表示：「迄今為止，我們還沒能使得這些材料穩定地達到我們想要的能帶隙，所以我們一直嘗試通過調整鈣鈦礦層的化學成分，阻止離子運動。這將使得鈣鈦礦可以作為多種鈣鈦礦電池或者彩色LED（從本質上以逆向方式運行的「太陽能電池」）使用。

在這項研究中，研究人員將碘化鉀添加到鈣鈦礦墨水中，這種墨水可自組裝到薄膜中，改變了鈣鈦礦層的化學成分。這種技術兼容卷對卷製程（roll-to-roll processes），這意味著它是廉價且可擴展的。碘化鉀在鈣鈦礦的頂部形成一個「裝飾」層，可以修復缺陷，使得電子運動得更加自由，同時也限制了離子的運動，從而使得材料在期望的能帶隙條件下更加穩定。

價值

研究人員論證了，這種鈣鈦礦的能帶隙性能頗具前景，非常適合作為硅太陽能電池頂層或者和配合另外一層鈣鈦礦使用（因此稱為「疊層太陽能電池」）。硅疊層太陽能電池很可能是鈣鈦礦首個大規模應用。通過添加一層鈣鈦礦，光線中更廣範圍的光譜可被更有效地吸收。

Stranks 的研究受到了歐盟和歐洲研究理事會「地平線2020」項目的贊助。他說：「通過鉀，我們使得疊層太陽能電池中的鈣鈦礦能帶隙變成我們期望的那樣穩定，並使得它們更多地發光，這意味著太陽能電池的效率將更高。它幾乎完全控制了鈣鈦礦中的離子和缺陷。」

卡文迪什實驗室的博士生、論文的第一作者 Mojtaba Abdi-Jalebi 表示：「我們發現鈣鈦礦對添加劑非常寬容，你可以增加新成分，它們會變得更好。與其他光伏技術不同，我們無需添加額外一層來提高性能，只需將添加劑簡單地混合到鈣鈦礦墨水中。」

鈣鈦礦和鉀組成的器件在測試中顯示出良好的穩定性，光電轉換效率達21.5%，與目前最佳的鈣鈦礦基太陽能電池相似，而且接近硅基太陽能電池的實用效率極限（29%）。由兩層鈣鈦礦組成的、具有理想能帶隙的疊層電池的理論效率極限是45%，實際極限是35%，這兩個值都高於目前硅的實際效率極限。

關鍵字

鈣鈦礦、太陽能電池、光伏技術

參考資料

【1】http://www.cam.ac.uk/research/news/potassium-gives-perovskite-based-solar-cells-an-efficiency-boost

【2】Mojtaba Abdi-Jalebi, Zahra Andaji-Garmaroudi, Stefania Cacovich, Camille Stavrakas, Bertrand Philippe, Johannes M. Richter, Mejd Alsari, Edward P. Booker, Eline M. Hutter, Andrew J. Pearson, Samuele Lilliu, Tom J. Savenije, H?kan Rensmo, Giorgio Divitini, Caterina Ducati, Richard H. Friend, Samuel D. Stranks.Maximizing and stabilizing luminescence from halide perovskites with potassium passivation. Nature, 2018; 555 (7697): 497 DOI: 10.1038/nature25989

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