研究人员研究了钙钛矿太阳能电池的电荷传输

钙钛矿太阳能电池如何进一步优化的新见解

太阳能电池中的交通堵塞:在钙钛矿太阳能电池中,钙钛矿层本身(橙色)位于钛氧化物多孔层(灰色)之间,该多孔层将电子输送到上电极(黄色)。迈因茨的马普研究人员发现,带正电的空穴在钙钛矿层中积累。资料来源:MPI高分子研究中心

对钙钛矿太阳能电池工作机制的新认识有助于这些太阳能电池在未来的可再生能源载体中发挥突出的作用。

在不久的将来,传统的硅太阳能电池可能会有一个廉价的竞争对手。来自美因茨马克斯普朗克聚合物研究所的研究人员,与来自瑞士和西班牙的科学家一起,研究了一种新型太阳能电池的工作原理,其中一种有机-无机钙钛矿化合物充当光吸收剂。科学家们观察到载流子在这些光伏元件的某一层中堆积。如果这种堵塞能够被溶解,这些太阳能电池已经相当高的效率将会得到进一步的提高。钙钛矿太阳能电池将在未来的可再生能源载体中扮演重要角色。与现有的硅太阳能电池不同,硅太阳能电池的制造成本高,能源消耗大,而这些电池的材料便宜,生产起来也很简单。

可再生能源是能源转型的一个基本要素——然而,它们的使用必须是值得的。尤其是在像德国这样阳光较少的国家,太阳能电池通常不是这样。钙钛矿太阳能电池已经被研究了好几年,如果它们的效率能够进一步提高,可能很快就会改变这种情况。这项任务是由美因茨马克斯普朗克聚合物研究所Rüdiger Berger领导的研究小组的研究重点。

钙钛矿太阳能电池依靠一层由有机-无机化合物组成的钙钛矿结构结晶而发电。这种结构中的离子形成立方排列,即矩形晶格。“钙钛矿材料吸收光线非常好,”Rüdiger Berger在解释太阳能电池的工作原理时说。“被钙钛矿层吸收的光从原子中夺取一个电子,从而产生一个带正电荷的电子空位,我们也称之为‘空穴’。然后我们所要做的就是把电子引到一个电极上,把空穴引到另一个电极上——然后就产生了电。”

空穴到达电极的速度不如电子快

在太阳能电池中,钙钛矿结构位于钛氧化物多孔层上,它收集在光照下产生的电子并将它们输送到下电极。在钙钛矿的上方有一层由有机孔洞导体螺罗-欧米塔德组成,它将孔洞输送到上电极。“太阳能电池的许多不同层非常重要。它们确保了两种电荷载体的有效分离,”Rüdiger Berger的同事Stefan Weber说。“然而,载流子每次从一种材料跳到另一种材料时都必须克服一个小障碍。这些屏障就像繁忙的高速公路上的建筑工地,车辆在那里堵塞。这种太阳能电池中的电荷传输干扰会导致损失,从而降低效率。”

在几个系列的测试中,研究人员发现,暴露在光下的钙钛矿层中会发生强烈的正电荷积累。他们认为产生这种正电荷的原因是二氧化钛电子导体比空穴导体工作效率高得多。这些空穴到达电极的速度不如电子快,并在途中积聚。钙钛矿层中过量的正电荷会产生一个相反的电场,从而进一步减慢电荷的传输。

更有效的空穴导体可以提高太阳能电池的效率

为了观察太阳能电池内的电荷传输,美因茨的研究人员从中间切开电池,并使用精细聚焦的离子束将破损的表面打磨光滑。在开尔文探针力显微镜的帮助下,他们绘制了太阳能电池每一层的电势图。从这个电位图,研究人员可以得出电场分布,从而电荷通过细胞的不同层传输。

Rüdiger Berger说:“我们第一次将电荷分布与细胞内各个材料层联系起来。”“电荷传输干扰照亮钙钛矿的正电荷层告诉我们,目前运输通过孔导体构成太阳能电池的效率瓶颈”如果一个导体可以用更有效的洞,钙钛矿的太阳能电池的效率可以增加远高于20%的关口,从而提供一个真正的替代传统的硅太阳能电池。

出版: Victor W. Bergmann等,“钙钛矿敏化太阳能电池内部不平衡电荷分布的实空间观测”,《自然通讯》,第5期,文章编号:5001;doi: 10.1038 / ncomms6001

图片:MPI用于聚合物研究

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