研究:金属卤化物钙钛矿太阳能电池中引起陷阱态缺陷的化学性质

放大字体  缩小字体 2022-01-19 15:31  浏览次数:

Study unveils the chemical nature of defects that cause trap states in me<em></em>tal halide perovskite solar cells

近年来,世界各地的工程师一直致力于创造可替代和可持续的能源解决方案,如太阳能电池。钙钛矿是一类具有特殊结构和优越性能的半导体,它是最有前途的太阳能技术之一,因为最近它们的效率达到了约25.5%的历史最高纪录。

尽管钙钛矿具有巨大的潜力和优势,但钙钛矿和其他半导体可能会受到所谓的“陷阱态”的不利影响。这些状态导致载流子(即电子和空穴)被困在材料中。

结构缺陷引起的陷阱态会影响钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。更具体地说,这些状态可以捕获光产生的载流子,导致电能损失。

北卡罗莱纳大学和托莱多大学的研究人员最近进行了一项研究,仔细研究了金属卤化物钙钛矿太阳能电池降解过程中陷阱状态相关缺陷的演变。他们的论文发表在《自然能源》杂志上,提供了新的有价值的见解,可以帮助显著提高钙钛矿太阳能技术的性能。

“陷阱状态就像高速公路上的洞,取决于它们有多浅或多深,它们要么会让汽车减速,要么会让它完全陷入陷阱,”进行这项研究的研究人员之一黄金松(音译)告诉TechXplore。“确定如何进一步降低当前恒星光伏产品(即钙钛矿太阳能电池)中的陷阱状态是一项重要且具有挑战性的任务。在我们之前的工作中,我们解决了一个大问题,那就是找出陷阱态在哪里,以及它们在钙钛矿太阳能电池中有多深,并指出了应该解决的问题,以进一步减少陷阱态。”

作为他们新研究的一部分,黄和他的同事们在之前工作的基础上进一步解决了一个有趣的研究问题。他们的目标是更好地理解限制金属卤化物钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的陷阱状态的化学性质。这反过来又使他们能够设计出策略或太阳能电池设计,以减少陷阱状态的存在,从而将不利影响降至最低。

“在钙钛矿太阳能电池中,陷阱状态是由缺陷引起的,这些缺陷通常是钙钛矿材料中一些不完美的晶体结构的结果,”另一位进行这项研究的研究员倪振义说。“好的方面是,钙钛矿中导致陷阱状态的缺陷通常是带电的,这意味着它们可以在外部电场下移动。考虑到这一点,我们能够通过施加连续的反向或正向偏差来触发钙钛矿太阳能电池中缺陷的移动,并使用驱动级电容剖面(DLCP)测量其空间分布。”

利用DLCP技术,研究人员能够确定钙钛矿太阳能电池中的缺陷在特定电场作用下是如何移动的。DLCP技术通常用于研究非晶和多晶材料。这样他们就可以收集有关这些缺陷的电荷状态的信息(例如,它们是正的还是负的),并最终揭示它们的化学性质。

黄解释说:“金属卤化物钙钛矿太阳能电池的降解与钙钛矿缺陷的演化密切相关。”“缺陷开始产生的地方代表了太阳能电池开始退化的位置,就像一片面包,总是开始腐烂,霉菌开始生长。”

当他们开始进行这项研究时,黄和他的同事意识到钙钛矿中的缺陷会随着时间的推移而进化,但与这种进化相关的确切降解机制尚不清楚。为了找到更多关于这些机制的信息,他们必须仔细研究缺陷是如何在钙钛矿太阳能电池降解过程中发生变化或进化的。

“为了做到这一点,我们使用了DLCP,因为我们知道它可以帮助创建钙钛矿太阳能电池中陷阱态的能量和空间分布的轮廓,从而允许我们跟踪缺陷的产生和在钙钛矿太阳能电池降解过程中的运动,”黄说。“了解不同种类的缺陷开始在哪里产生,以及它们的密度如何变化,使我们能够确定钙钛矿太阳能电池在反向偏压和光照下如何降解。”

这组研究人员最近的研究可能对基于钙钛矿的太阳能技术的发展具有重要意义。最值得注意的是,黄和他的同事们解决了钙钛矿太阳能电池发展中一个长期存在的挑战,即对造成陷阱状态的缺陷的化学性质有了更好的理解。

他们的论文描述了对金属卤化物钙钛矿太阳能电池性能更不利的缺陷类型,因此应该提前解决,以降低陷阱态的密度。在未来,这些结果可以帮助开发有效的策略,以减少缺陷的影响,并提高这种有前途的太阳能电池的效率和稳定性。

“钙钛矿太阳能电池在进一步降低太阳能发电成本方面有很大的潜力,而提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性仍然是最重要的方向,”黄说。“现在,任何进一步提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性,都必须依赖于减少钙钛矿的缺陷,以减少任何不必要的能量损失,我们的发现为未来的研究指明了方向。”

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