对于Michael Saliba和Mahdi Malekshahi来说，这是科学上的一个时刻，好的实验结果会带来更多的问题。斯图加特大学的研究人员最近开发了一种用钙钛矿制造太阳能电池的新工艺，钙钛矿是一种先进的晶体材料，有可能彻底改变太阳能技术。他们的细胞非常高效和稳定，但有一个问题:他们没有详细了解为什么这个过程如此有效。
Saliba和Malekshahi联系了分子铸造厂的研究人员，这是位于劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的能源部科学办公室用户设施。
几个月过去了，伯克利实验室的团队已经应用了一套技术来实时揭示钙钛矿太阳能电池材料晶体结构的变化，因为它们是用Saliba的工艺制造的。研究结果发表在最近的《先进材料》杂志上，为研究人员提供了对如何制造更好的钙钛矿太阳能电池的更深入的了解。
“材料制造通常是一个黑盒子，”卡罗林·萨特-费拉说，他是分子铸造厂的科学家，也是该论文的通讯作者之一。“当材料从最初的构建块转变为最终状态时，你无法看到发生了什么。我们建立了几个功能，使我们能够详细观察钙钛矿和其他可打印太阳能电池材料的形成。这项工作的见解可以帮助研究人员解决将这项有前途的技术商业化的关键障碍。”
“通过在沉积材料时不断进行测量，我们可以直观地跟踪其功能特性的演变，”分子铸造厂伯克利实验室博士后研究员、该研究的主要作者蒂姆·科达勒(Tim Kodalle)说。“这就像看视频一样。”
这项工作也在位于伯克利实验室的科学用户设施能源部办公室先进光源处进行。
一个潜在的太阳能游戏规则改变者
钙钛矿与目前主导太阳能产业的传统硅基太阳能电池板相比，具有许多优势。首先，它们吸收光线的效率要高得多。因此，它们可以做得比原来薄100倍，甚至可以印在表面上。因为它们需要更少的材料和更低的温度来加工，它们的生产成本可能更低。与硅或其他半导体板不同，钙钛矿在材料杂质中表现良好。
钙钛矿的元素组成可以很容易地改变，使它们吸收太阳光谱的不同部分，这为将钙钛矿薄膜应用于硅板打开了令人兴奋的机会。由此产生的“串联”面板可能比目前的面板效率更高，有可能节省成本，加速清洁能源的转型。
尽管有这些优点，钙钛矿太阳能电池板在商业上还不可行。主要的障碍是缺乏稳定性和耐久性。太阳能电池板必须能够在各种天气下使用20到30年。钙钛矿在潮湿条件下吸水并迅速降解，限制了它们在野外的长期耐久性。由于它们对环境条件的敏感性，也很难制造出质量一致的钙钛矿电池。
Sutter-Fella说:“两个不同的实验室可能使用相同的工艺来制造质量明显不同的钙钛矿。”“这使得研究人员很难重现实验，比较结果，并找出为什么一些太阳能电池比其他太阳能电池表现更好。”
防潮层阻挡湿气的保护层
提高耐久性的一种方法是制造钙钛矿太阳能电池，然后在其表面沉积一种称为苯乙基氯化铵或PEACl的有机分子。研究这两步过程的研究人员发现，PEACl形成了一层薄薄的保护屏障，可以有效地防潮。
斯图加特大学的Saliba团队通过将钙钛矿电池制造和PEACl沉积集成到一个步骤中，改进了这一过程。“这样一个简化的过程可以使研究人员制造出质量更稳定的细胞，”Kodalle说。“从长远来看，该工艺可能会降低钙钛矿电池制造的成本和能耗。”
萨利巴的实验室发现，用他的方法制造的细胞比不使用PEACl制造的细胞更耐用、更高效。与伯克利实验室的合作为这一观察提供了更详细的解释，描述了钙钛矿材料在制造过程中如何在结构上进化。
用x射线、激光束和白光探测钙钛矿
在一种被称为多模态成像的方法中，伯克利实验室团队应用了三种技术来探测钙钛矿太阳能电池材料在制造过程中，观察它们形成时性质的演变。对两种材料进行了评估——一种用Saliba实验室的工艺用PEACl处理，另一种不使用PEACl。结果揭示了两个样本在进化过程中的关键差异。
第一种技术，被称为掠射广角x射线散射，是在先进光源上进行的，这是一个圆形粒子加速器，可以产生明亮的x射线束。该技术包括用一束x射线以浅角度照射样品，并测量样品中原子散射时x射线的结果模式。这一信息揭示了钙钛矿层形成过程中晶体结构的变化。
第二种技术称为光致发光光谱，测量样品在激光照射下发出的光。样品发出的光能量的变化提供了对其晶体质量的深入了解。第三种技术是在分子铸造厂进行的，将白光照射到样品上，并确定样品吸收的光的比例。
该技术揭示了光致发光光谱和x射线散射模式的互补信息，为样品的晶体结构提供了额外的见解。然后，研究人员将这三种技术的数据流联系起来，对样品晶体结构的时间演变有了详细的了解。
该技术表明，在经过peacl处理的样品中，晶体生长得更慢，质量更高，表面形成了一层富含peacl的保护层。研究小组认为，这些发现解释了电池效率的提高和一个多月的稳定运行。
萨特-费拉设想了几个可能的下一步研究步骤。“我们可以用其他分子处理钙钛矿，看看它们是如何影响耐久性和效率的，”她说。“我们还需要在更长的运行时间和更现实的环境条件下监测电池的稳定性。我们的想法是了解哪种材料组合可以提高电池的稳定性，从而延长其使用寿命。”
更多信息:Tim Kodalle等人，2D/3D卤化物钙钛矿薄膜控制结晶的集成沉积和钝化策略，Advanced Materials(2024)。DOI: 10.1002 / adma.202309154期刊信息:先进材料由劳伦斯伯克利国家实验室提供引文:新见解导致更好的下一代太阳能电池(2024,4月24日)检索自2024年4月24日https://techxplore.com/news/2024-04-insights-gen-solar-cells.html此文档受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。
