钙钛矿晶体结构形成（’自组装’）的原子尺度视图，钾离子（红色）通过修复缺陷并固定过量的卤化物正在装饰结构的表面。图片来源：Matt Klug
由剑桥大学领导的一个国际研究小组发现，添加碘化钾可以通过消除缺陷和固定的离子运动，解决迄今为止限制了便宜的钙钛矿太阳能电池的效率的问题。这些新型的太阳能电池可以在现有的硅基太阳能电池上作为效率促进层，或者将它们做成独立的太阳能电池或彩色发光二极管。他们将研究结果发表在《自然》杂志上。
该研究中的太阳能电池是基于金属卤化物钙钛矿，这是一种很有前途的离子半导体材料，在短短几年的发展过程中，它与商业薄膜光伏技术在将太阳能转化为电能方面的效率上不相上下。在低温下，钙钛矿价格低廉，易于生产，这使得它们对下一代太阳能电池和照明具有吸引力。
尽管钙钛矿具有潜力，但一些限制妨碍了它们的效率和一致性。钙钛矿结晶结构中的微小缺陷称为陷阱，可能会导致电子在能量被利用前“卡住”。电子可以在太阳能电池材料中移动越容易，材料将光子，光线粒子转化为电力的效率越高。另一个问题是，当光线被照亮时，离子可以在太阳能电池中移动，这可能会导致带隙的改变——材料吸收的光的颜色。
“到目前为止，我们还不能使这些材料与我们所需要的带隙保持稳定，所以我们一直尝试通过调整钙钛矿层的化学成分来固定离子的运动，”负责这项研究的剑桥大学卡文迪什实验室的萨姆·斯里克斯博士说：“这将使钙钛矿作为多功能太阳能电池或彩色发光二极管，这是本质上的太阳能电池反向运作。”
在这项研究中，研究人员通过在钙钛矿墨水中加入碘化钾来改变钙钛矿层的化学成分，然后将其自组装成薄膜。该技术与滚转过程相似，这意味着它是可扩展的，而且价格低廉。碘化钾在钙钛矿的顶部形成了一个“装饰”层，它具有“修复”陷阱的作用，使电子能够更自由地运动，同时也能固定离子运动，使材料在所需的带隙中更加稳定。
研究人员展示了钙钛矿能带理想的性能，非常适合在硅太阳能电池或其他钙钛矿层上层叠即所谓的串联太阳能电池。钙钛矿是硅串联太阳能电池是最可能最先广泛应用的材料。通过添加钙钛矿层，可以从更大范围的太阳光谱中更高效地捕获光能。
Stranks表示：“钾离子能够使我们用于串联太阳能电池的钙钛矿的能带稳定下来，并使其更具发光性，这意味着太阳能电池变得更加高效。他的研究得到了欧盟和欧洲研究委员会2020年计划的资助。“钾离子几乎完全避免了钙钛矿中的缺陷以及稳定了离子运动。”
文章的第一作者Mojtaba Abdi-Jalebi说:“我们发现，钙钛矿对添加剂的种类非常宽泛——你可以添加新的成分，它们的性能变得更好。”“不像其他的光电技术，我们不需要添加额外的层来提高性能，添加剂可以和钙钛矿的墨水互溶。”
钙钛矿和钾离子组合的太阳能电池在测试中表现出良好的稳定性，在将光转化为电能的过程中效率为21.5%，这与最佳的钙钛基太阳能电池相似，而且与硅基太阳能电池的实际效率限制相差不远(29%)。由两个钙钛矿层和理想的能带组成的串联单元，理论上的效率限制为45%，实际限制为35%——这两者都高于目前硅的实际效率限制。“这使你的钱更有价值，”斯特拉克斯说。
原文来源：sciencedaily
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