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如何刷新钙钛矿太阳能电池效率的世界纪录？

来源: X-MOL 2017-08-02 14:48:37

就像是金庸小说中各家顶尖高手要“华山论剑”争夺武功天下第一，光伏界尤其是目前热门的钙钛矿太阳能电池领域的研究团队也一直在你追我赶，期望自己器件的光电转换效率能独步江湖。说到光电转换效率，就不得不提到Newport公司。Newport是一家权威的效率认证机构，得到了美国国家可再生能源实验室的授权，出具全球不同光伏技术的最高光电转换效率表。不久前，Newport更新了钙钛矿太阳能电池的认证最高效率——22.1%。可是，这个创纪录的电池如同金庸小说里的顶尖高手一样，带有许多神秘感，研究人员等了相关文献好久却一直没有看到。直到最近，一篇Science 论文才揭开了它的面纱。

这一新纪录来自韩国科学家——蔚山国立科学技术研究所（UNIST）的Sang Il Seok教授、韩国化学技术研究所（KRICT）的Jun Hong Noh博士和汉阳大学的Eun Kyu Kim教授等人。这一次，他们改进了他们之前发明的基于分子内交换（intramolecular exchange）的两步法（Science, 2015, 348, 1234-1237，点击阅读详细），通过引入额外的碘离子，制备出缺陷更少的高质量钙钛矿薄膜。由此所制得的小面积太阳能电池的认证效率达到22.1%，而大面积（1 cm2）电池的认证效率也达到19.7%。

Sang Il Seok教授（后排左四）研究团队。图片来源：UNIST

对于钙钛矿太阳能电池来说，形成一层均匀致密的高质量无机-有机杂化钙钛矿材料薄膜是提高效率的关键，而缺陷会降低器件的开路电压和短路电流密度，拖累电池性能，当然应该控制的越少越好。理论研究表明，类似空位和间隙的点缺陷形成能量较低，是甲胺铅碘（MAPbI3）钙钛矿中最有可能出现的缺陷。另外，阳离子取代和反位取代也会形成。尽管多数空位缺陷形成接近带隙的浅电子能级，但深能级缺陷（类似间隙和反位缺陷）的形成会导致非辐射复合中心数增多，降低光电转换效率。作者之前开发的基于分子内交换的两步法，能制备较高质量的甲脒铅碘（FAPbI3）钙钛矿，但也容易形成一种碘缺乏中间产物[(Pb3I8)n]2n−。因此，作者想到引入额外的碘离子来解决这个问题。

材料学

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