新研究表明全无机钙钛矿有望提高太阳能电池的效率

一项新研究表明，全无机钙钛矿太阳能电池有望提高太阳能电池的效率。有机-无机混合钙钛矿已经显示出超过25%的非常高的光伏效率。该领域的主流观点是，材料中的有机（含碳和氢）分子对于实现这一令人印象深刻的性能至关重要，因为它们被认为可以抑制缺陷辅助的载流子重组。

加州大学圣塔芭芭拉分校材料系的新研究不仅表明这一假设是不正确的，而且还表明全无机材料有可能超过混合钙钛矿。该研究结果发表在《全无机卤化物钙钛矿作为高效太阳能电池的候选材料》一文中，该文章将出现在2021年10月20日的《细胞报告物理科学》杂志的封面。

“为了比较这些材料，我们对重组机制进行了全面的模拟，”该研究的首席研究员Xie Zhang解释说。“当光照在太阳能电池材料上时，光产生的载流子产生电流；缺陷处的重组破坏了其中一些载流子，从而降低了效率。因此，缺陷是效率的‘杀手’。”

为了比较无机和混合钙钛矿，研究人员研究了两种原型材料。两种材料都含有铅和碘原子，但在一种材料中，晶体结构是由无机元素铯完成的，而在另一种材料中，存在着有机甲基铵分子。

在实验中理清这些过程是极其困难的，但是最先进的量子力学计算可以准确地预测重组率，这要归功于UCSB材料教授Chris Van de Walle小组开发的新方法，他认为该小组的一名高级研究生Mark Turiansky帮助编写了计算重组率的代码。

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Turiansky说：“我们的方法对于确定哪些缺陷会导致载流子损失非常有力。看到该方法被应用于我们这个时代的关键问题之一，即有效地产生可再生能源，这是令人兴奋的。”

运行模拟显示，这两种材料的共同缺陷引起了可比的（和相对无害的）重组水平。然而，混合钙钛矿中的有机分子可以分解；当氢原子损失发生时，产生的“空位 ”会强烈地降低效率。因此，该分子的存在对材料的整体效率来说是一种损害，而不是一种资产。

那么，为什么这一点在实验中没有被注意到呢？主要是因为生长高质量的全无机材料层比较困难。它们有采用其他晶体结构的倾向，而促进所需结构的形成需要更大的实验努力。然而，最近的研究表明，实现首选结构是绝对可行的。尽管如此，这种困难还是解释了为什么迄今为止全无机钙钛矿没有得到那么多的关注。

Van de Walle总结说：“我们希望我们关于预期效率的发现将刺激更多针对生产全无机钙钛矿的活动。”