科学家们已经在混合钙钛矿的一个基础研究上获得了新的研究见解，这种低成本材料可以增强甚至取代由硅制成的传统太阳能电池。
在显微镜下，钙钛矿晶体看起来像是随机晶粒构成的抽象马赛克。而最神秘的是，这种细小的不完美晶粒的随机拼凑是如何能够像纯硅单晶一样有效地将阳光转化为电能。
最近斯坦福大学和能源部下属的SLAC国家加速器实验室的一项研究为上述研究提供了新的线索。在3月15日的Advanced Materials杂志上发表的一篇文章中，科学家们提出了一个关于电荷在光吸收之后几十亿分之一秒内如何分离电荷的新见解，这是产生电流的关键第一步。
这项研究是首次利用可与太阳辐射强度相匹配的激光脉冲来模拟自然光，进而探测原子尺度下杂化钙钛矿的内部工作情况。作者表示，他们的发现可能会改善钙钛矿太阳能电池的性能，并利用这种新方法来探索其功能。
钙钛矿和硅
现如今大多数太阳能电池都是由纯硅（这种纯硅是在温度高于1600摄氏度环境下制得）制成。这些刚性硅面板可以在各种天气条件下持续几十年的工作。
钙钛矿太阳能电池虽然耐久性较差，但它们比硅电池更薄且更灵活，并且可以在室温下由廉价的有机和无机材料（如碘，铅和甲基铵）的混合物制成。
包括斯坦福大学的论文共同作者Michael McGehee在内的研究人员已经表明，钙钛矿太阳能电池在将光能转化为电能方面与市售硅电池一样高效，甚至可以超越它们。这种高效率，灵活性和易于合成的优势促进了商业级钙钛矿的进一步开发和研究。
“钙钛矿是非常有前景的光伏材料，”斯坦福大学和斯坦福直线加速器中心(SLAC) 的博士后学者，同时也是本文的第一作者BurakGuzelturk说。“但是人们想知道它们是如何实现高效率转化的。”
电子和空穴
所有的太阳能电池都以相同的原理运作。被晶体材料吸收的光子将带负电荷的电子跃迁进入激发态。被释放的电子留下带正电的空间或者叫 “空穴”。这种电子分离导致了电流的产生。
纯硅以其高度有序的原子结构为电子和空穴穿过太阳能电池提供了直接通道。但是对于钙钛矿来说，这条通道很不平坦。
“钙钛矿材料通常充满缺陷，”能源部直线加速器中心(SLAC)和斯坦福大学副教授，同时也是材料与能源科学研究所（SIMES）研究员的Aaron Lindenberg说。 “他们甚至不是完美的晶体，但不知道为什么从电流上看不到缺陷。”
太赫兹辐射
在这个实验中，研究人员使用激光脉冲模拟可见光谱两端的太阳光波 – 高能紫光和低能红外光。在皮秒时间尺度测量结果。一皮秒是十亿分之一秒。
“在太阳光照射到钙钛矿后的第一个皮秒内，晶格中的电子和空穴开始分裂，”Lindenberg解释说道。 “通过测量从钙钛矿薄膜每秒振荡1万亿次的高频太赫兹光脉冲的发射数据来发现这种分离，这是人们第一次观察到混合钙钛矿发射太赫兹辐射。”
太赫兹辐射还显示了电子和空穴与晶体材料中的晶格振动紧密相互作用。这种相互作用发生在飞秒时间尺度上，这有助于解释电流是如何通过混合钙钛矿晶粒的。
“由于电荷的分开，我们观察到太赫兹辐射尖峰，以此匹配材料的振动模式，”Guzelturk说。 “这给了我们明确的证据，证明电子和空穴与材料中的原子振动强烈耦合。”
这一发现提出了这样一种猜想，即与晶格振动的耦合可以保护电子和空穴免受钙钛矿中的带电缺陷的影响，在电流穿过太阳能电池时屏蔽电流。已经有其他研究团队提出类似的猜想。
Lindenberg说：“这是首次观察到混合钙钛矿材料的局部原子结构在吸收阳光后的第一个十亿分之一秒内的反应。我们的技术可以开辟探索光子被吸收时探测太阳能电池的新方法，如果你想了解和制造更好的材料，这一点非常重要，传统的方法是在器件上放置电极并测量电流，但是这基本上模糊了所有关键的微观过程，我们采用飞秒时间分辨率的全光学无电极检测方法则避免了这个问题。”
热电子
研究人员还发现，当钙钛矿被高能光波击中时，太赫兹光场会变得更强。
Lindenberg说：“我们发现，当用紫光与低能红外光激发电子时，辐射太赫兹光的强度级别更强。这是一个意外的结果。”
Guzelturk说，这一发现可以提供有关高能“热”电子的新见解。
“紫光给予电子多余的动能，产生比其他电子快得多的热电子，” 他说道。“但是，这些热电子非常迅速地失去了过多的能量。”
Lindenberg补充说道，利用热电子的能量可以产生新一代的高效太阳能电池。
“研究中最大的挑战之一就是找到一种方法，在能量快速消耗之前从热电子捕获多余的能量，”他说。 “这个想法是，如果在能量耗散之前能够提取与热电子相关的电流，就可以提高太阳能电池的效率。人们认为，在钙钛矿中生成热电子的可能性比在硅中大得多，这是围绕钙钛矿材料研究的亮点之一。”
研究表明，在混合钙钛矿中，热电子比空穴更快，更有效地分离红外光激发的电子。
“这是我们第一次可以测量这种分离的速度，” Lindenberg说。 “这将为如何设计使用热电子的太阳能电池提供重要的信息。”
毒性和稳定性
Guzelturk说，测量太赫兹辐射的能力也可能导致对传统含铅钙钛矿的无毒替代品材料进行新的研究。
他说：“大多数正在考虑的替代材料并不像铅那样能够有效发电。我们的发现可能使我们能够理解为什么含铅材料能够很好地发挥作用，而其他材料却不能，而且我们可以通过直接观察原子结构及其变化来研究这些器件的退化。”
文章来自phys网站
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