关于钙钛矿太阳能电池高效率的新发现

钙钛矿太阳能电池效率高且生产成本相对低廉，近年来屡屡令人惊喜。于利希研究中心的科学家们现在利用一种新的光致发光测量技术发现了细胞的另一个特殊特征。他们发现，这种类型的电池中载流子的损失遵循与大多数半导体已知的物理定律不同的物理定律。这可能是其高效率的主要原因之一。研究结果发表在《自然材料》杂志上。

钙钛矿太阳能电池被认为在光伏领域非常有前途，尽管其稳定性还有很多不足之处。这种类型的电池打印成本低廉且非常高效。在过去十年中，它们的效率翻了一番，达到 25% 以上，因此目前与传统的硅太阳能电池相当。未来似乎也有可能进一步改进。

“这里的一个重要因素是受激电荷载流子在材料中保留多长时间的问题，换句话说就是它们的寿命，”Thomas Kirchartz 解释道。“了解这些过程对于进一步提高钙钛矿太阳能电池的效率至关重要。” 这位电气工程师是于利希研究中心能源与气候研究所 (IEK-5) 有机和混合太阳能电池工作组的负责人。

生命才是最重要的

在太阳能电池中，电子被光子驱逐并从价带提升到导带到更高的能级。只有这样它们才能更自由地移动并流经外部电路。只有当它们的寿命足够长，能够穿过吸收材料到达电触点时，它们才能有助于发电。激发的电子还会在下面的价带中留下一个空穴——一个可以像正电荷载流子一样在材料中移动的移动空位。

主要是晶格中的缺陷确保受激电子快速回落到较低能级。受影响的电子将不再能够对电流做出贡献。“这种机制也称为复合，是每个太阳能电池的主要损耗过程，”Kirchartz 说。

重组对于效率至关重要

没有一种太阳能电池在原子水平上是完美的。由于制造过程的原因，每一种都有不同类型的缺陷。晶格结构中的这些缺陷或外来原子是电子和空穴倾向于聚集在一起的集合点。然后电子落回价带，在发电方面变得毫无价值。

“之前人们认为复合主要是由位于价带和导带中间的缺陷引发的。这是因为这些深层缺陷同样容易受到激发电子及其对应物空穴的影响，”Kirchartz 说。事实上，对于大多数类型的太阳能电池来说这可能都是正确的。

浅缺陷占主导地位

然而，Kirchartz 和他的团队现在已经反驳了钙钛矿太阳能电池的这一假设，并表明浅层缺陷对其最终效率至关重要。与深缺陷不同，它们并不位于带隙中间，而是非常靠近价带或导带。

“这种异常行为的原因尚未完全阐明，”基尔哈茨补充道。“可以合理地假设这些材料中根本不可能存在深层缺陷。这种限制也可能是电池效率特别高的原因之一。”

具有扩展动态范围的新 HDR 测量技术

只有通过创新的瞬态光致发光测量才能实现这一观察。在以前的测量中，无法区分由浅层缺陷引起的损失过程和由其他因素引起的损失过程。

与传统技术相比，Thomas Kirchartz 和他在 Forschungszentrum Jülich 的团队开发的新测量方法可提供动态范围显着增加的数据，即数据具有更大的测量范围和更好的精细等级。该过程基于与高动态范围质量的 HDR 图像类似的原理。通过叠加不同的图像或测量值(在本例中为具有不同放大级别的信号)以创建数据集，可以增加相机的动态范围。

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