研究人员确定限制太阳能电池性能的缺陷:Hybrid Perovskites中的氢气

氢空位

一个氢空位(中间左边的黑点)是通过从甲基铵分子中去除氢而产生的,它可以捕获典型的杂化钙钛矿,甲基铵碘化铅CH3NH3Pbl3中的载体。信贷:谢张

UC Santa Barbara工程学院的材料部门的研究人员发现了新一代太阳能电池效率的主要原因。

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《最小化氢空位使高效杂化钙钛矿成为可能》的论文上自然材料

鉴于他们推进太阳能电池技术的潜力,Hybrid Perovskites的显着光伏性能创造了很大的兴奋。“杂交”是指在无机钙钛矿晶格中嵌入有机分子,其具有与钙钛矿矿物(氧化钙)类似的晶体结构。这些材料表现出竞争硅的功率转换效率,但生产的更便宜。然而,已知钙钛矿结晶晶格中的缺陷是以热量的形式产生不需要的能量耗散,这限制了效率。

许多研究团队一直在研究这种缺陷,其中包括克里斯·瓦·瓦尔教授克里斯·瓦尔·瓦尔(Chris Van de Walle),最近通过发现一个在没有人身份的地方的缺陷来实现突破:在有机分子上。

Chris Van de Walle

Chris Van de Walle。资料来源:加州大学圣巴巴拉分校

“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化学键并去除一个氢是非常容易的原子在甲基铵分子上。然后,所得到的“氢空位”作为通过落在太阳能电池上的光产生之后通过晶体移动的电荷的沉没。当这些收费陷入困境时,它们无法再做有用的工作,例如对电池充电或供电电机,因此效率的损失。“

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。

“我们的小组创造了强大的方法,以确定哪些过程导致效率损失,”丽阿尼斯基表示,“看到该方法为重要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。”

参考:“最大限度地减少氢职业空缺,使高效的Hybrid Perovskites能够通过谢张,Jimmy-Xuank,Mark E. Turiansky和Chris G.Van de Walle,4月29日,4月29日,自然材料
DOI:10.1038 / S41563-021-00986-5

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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