重磅！研究人員首次深入揭示了鈣鈦礦太陽能電池的工作機制

這張插圖描述了在模擬太陽光照射後（左上角），混合鈣鈦礦材料內部在最初的幾十萬億分之一秒內的變化情況。藍色和綠色的球體是原子，排列在雙金字塔中，如圖中左處所示。當光照射時，電子開始從帶正電荷的「空穴」中分離，這是產生電流（黃色條紋）的第一步。同時，原子開始在鈣鈦礦晶格結構內振動。科學家們通過分析太赫茲輻射（紅色條紋）所釋放的過程來檢測這些過程。圖片來源：Greg Stewart / SLAC國家加速器實驗室。

科學家們已經在混合鈣鈦礦的一個基礎研究上獲得了新的研究見解，這種低成本材料可以增強甚至取代由硅製成的傳統太陽能電池。

在顯微鏡下，鈣鈦礦晶體看起來像是隨機晶粒構成的抽象馬賽克。而最神秘的是，這種細小的不完美晶粒的隨機拼湊是如何能夠像純硅單晶一樣有效地將陽光轉化為電能。

最近斯坦福大學和能源部下屬的SLAC國家加速器實驗室的一項研究為上述研究提供了新的線索。在3月15日的Advanced Materials雜誌上發表的一篇文章中，科學家們提出了一個關於電荷在光吸收之後幾十億分之一秒內如何分離電荷的新見解，這是產生電流的關鍵第一步。

這項研究是首次利用可與太陽輻射強度相匹配的激光脈衝來模擬自然光，進而探測原子尺度下雜化鈣鈦礦的內部工作情況。作者表示，他們的發現可能會改善鈣鈦礦太陽能電池的性能，並利用這種新方法來探索其功能。

鈣鈦礦和硅

現如今大多數太陽能電池都是由純硅（這種純硅是在溫度高於1600攝氏度環境下製得）製成。這些剛性硅面板可以在各種天氣條件下持續幾十年的工作。

鈣鈦礦太陽能電池雖然耐久性較差，但它們比硅電池更薄且更靈活，並且可以在室溫下由廉價的有機和無機材料（如碘，鉛和甲基銨）的混合物製成。

包括斯坦福大學的論文共同作者Michael McGehee在內的研究人員已經表明，鈣鈦礦太陽能電池在將光能轉化為電能方面與市售硅電池一樣高效，甚至可以超越它們。這種高效率，靈活性和易於合成的優勢促進了商業級鈣鈦礦的進一步開發和研究。

「鈣鈦礦是非常有前景的光伏材料，」斯坦福大學和斯坦福直線加速器中心(SLAC) 的博士後學者，同時也是本文的第一作者BurakGuzelturk說。「但是人們想知道它們是如何實現高效率轉化的。」

電子和空穴

所有的太陽能電池都以相同的原理運作。被晶體材料吸收的光子將帶負電荷的電子躍遷進入激發態。被釋放的電子留下帶正電的空間或者叫 「空穴」。這種電子分離導致了電流的產生。

純硅以其高度有序的原子結構為電子和空穴穿過太陽能電池提供了直接通道。但是對於鈣鈦礦來說，這條通道很不平坦。

「鈣鈦礦材料通常充滿缺陷，」能源部直線加速器中心(SLAC)和斯坦福大學副教授，同時也是材料與能源科學研究所（SIMES）研究員的Aaron Lindenberg說。 「他們甚至不是完美的晶體，但不知道為什麼從電流上看不到缺陷。」

太赫茲輻射

在這個實驗中，研究人員使用激光脈衝模擬可見光譜兩端的太陽光波 - 高能紫光和低能紅外光。在皮秒時間尺度測量結果。一皮秒是十億分之一秒。

「在太陽光照射到鈣鈦礦後的第一個皮秒內，晶格中的電子和空穴開始分裂，」Lindenberg解釋說道。 「通過測量從鈣鈦礦薄膜每秒振蕩1萬億次的高頻太赫茲光脈衝的發射數據來發現這種分離，這是人們第一次觀察到混合鈣鈦礦發射太赫茲輻射。」

太赫茲輻射還顯示了電子和空穴與晶體材料中的晶格振動緊密相互作用。這種相互作用發生在飛秒時間尺度上，這有助於解釋電流是如何通過混合鈣鈦礦晶粒的。

「由於電荷的分開，我們觀察到太赫茲輻射尖峰，以此匹配材料的振動模式，」Guzelturk說。 「這給了我們明確的證據，證明電子和空穴與材料中的原子振動強烈耦合。」

這一發現提出了這樣一種猜想，即與晶格振動的耦合可以保護電子和空穴免受鈣鈦礦中的帶電缺陷的影響，在電流穿過太陽能電池時屏蔽電流。已經有其他研究團隊提出類似的猜想。

Lindenberg說：「這是首次觀察到混合鈣鈦礦材料的局部原子結構在吸收陽光後的第一個十億分之一秒內的反應。我們的技術可以開闢探索光子被吸收時探測太陽能電池的新方法，如果你想了解和製造更好的材料，這一點非常重要，傳統的方法是在器件上放置電極並測量電流，但是這基本上模糊了所有關鍵的微觀過程，我們採用飛秒時間解析度的全光學無電極檢測方法則避免了這個問題。」

熱電子

研究人員還發現，當鈣鈦礦被高能光波擊中時，太赫茲光場會變得更強。

Lindenberg說：「我們發現，當用紫光與低能紅外光激發電子時，輻射太赫茲光的強度級別更強。這是一個意外的結果。」

Guzelturk說，這一發現可以提供有關高能「熱」電子的新見解。

「紫光給予電子多餘的動能，產生比其他電子快得多的熱電子，」 他說道。「但是，這些熱電子非常迅速地失去了過多的能量。」

Lindenberg補充說道，利用熱電子的能量可以產生新一代的高效太陽能電池。

「研究中最大的挑戰之一就是找到一種方法，在能量快速消耗之前從熱電子捕獲多餘的能量，」他說。 「這個想法是，如果在能量耗散之前能夠提取與熱電子相關的電流，就可以提高太陽能電池的效率。人們認為，在鈣鈦礦中生成熱電子的可能性比在硅中大得多，這是圍繞鈣鈦礦材料研究的亮點之一。」

研究表明，在混合鈣鈦礦中，熱電子比空穴更快，更有效地分離紅外光激發的電子。

「這是我們第一次可以測量這種分離的速度，」 Lindenberg說。 「這將為如何設計使用熱電子的太陽能電池提供重要的信息。」

毒性和穩定性

Guzelturk說，測量太赫茲輻射的能力也可能導致對傳統含鉛鈣鈦礦的無毒替代品材料進行新的研究。

他說：「大多數正在考慮的替代材料並不像鉛那樣能夠有效發電。我們的發現可能使我們能夠理解為什麼含鉛材料能夠很好地發揮作用，而其他材料卻不能，而且我們可以通過直接觀察原子結構及其變化來研究這些器件的退化。」

文章來自phys網站，原文題目為Study reveals new insights into how hybrid perovskite solar cells work，由材料科技在線匯總整理.

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