钙钛矿太阳能电池的示意图，显示钙钛矿位于电池的中心。吸收太阳光会导致电子跳到更高的能级，留下空穴。电子和空穴的进一步分离导致电流的产生。可能捕获电子或空穴的缺陷的存在会导致整个太阳能电池失去效率。信用:冲绳科学技术研究所扩大太阳能是可持续满足世界能源需求的必要条件。为了实现这一目标，研究人员将重点放在半导体能源材料的开发上。一种这样的材料，杂化钙钛矿，由有机和无机离子组成。这些很有希望成为下一代太阳能电池的候选材料，这种电池可能比现有的传统电池更具成本效益，也更容易大规模生产。但是，在它们可以商业化之前，它们的效率需要扩大，它们的局限性需要正确理解。在《能源与环境科学》一文中，由OIST冲绳科学技术研究生院的Keshav Dani教授领导的飞秒光谱学小组和由剑桥大学的Sam Stranks博士领导的光电子材料和器件光谱学小组的研究人员在最先进的钙钛矿薄膜中发现了三种不同类型的缺陷簇，它们可能在钙钛矿的制造过程中形成，并可能阻碍效率。
“如果你有一个太阳能电池，你希望整个材料有助于将阳光转化为电能，否则你就没有充分利用其潜力，这对于商业目的来说是不可取的，”索菲亚·科萨说，她是OIST大学的博士生，也是这篇研究论文的第一作者。
钙钛矿材料是太阳能电池的核心，由许多不同的层组成。当太阳击中太阳能电池时，它的能量被钙钛矿吸收，导致电子跳到更高的能级，留下空穴。然后所有的电子沿着一个方向穿过太阳能电池层到达电触点和空穴，沿着另一个方向移动，从而产生电流。
索菲亚说:“如果材料中存在缺陷，这可能会影响电子空穴对的产生或它们在触点处的聚集，并意味着每一块石英太阳能电池会失去效率。她接着解释说，理论上，钙钛矿太阳能电池可以将大约30%的入射光转化为电能。"目前，混合钙钛矿的产量通常在20%到25%之间."
该领域的专家意识到存在可能妨碍效率的缺陷，但以前不清楚这些缺陷是否都具有相同的特征，因此是否可以用一种策略消除。在这项研究中，通过使用最先进的设备，缺陷被成像并以纳米级分辨率表征，以揭示三种不同的类型。
研究人员进行了一项时间分辨光电发射实验，以了解钙钛矿性能中每个缺陷的作用。从右图中可以看出，尽管晶界缺陷的尺寸很小，但它们对电荷载流子俘获是最有害的，这会导致太阳能电池不希望的性能损失。信用:冲绳科学技术研究所研究人员发现的最有害的一种是晶界缺陷。这些缺陷很小，顾名思义，位于钙钛矿不同晶粒之间的边界。它们似乎主动捕获光生空穴并耗尽远超过其尺寸的区域的效率，因此对钙钛矿的性能造成了巨大的问题。
然后是多型缺陷。这些发生在前体材料结晶时，不是典型的立方钙钛矿结构，而是六方结构。这种类型的缺陷团簇相对较大，并且还通过俘获光生空穴对效率产生负面影响。
索菲亚解释说:“如果薄膜中有许多多型缺陷，它们的影响会变得和晶界缺陷一样有害。"晶界和多型缺陷都需要通过开发特定的策略来确定目标."
最后，研究揭示了碘化铅的缺陷。这些是由沉淀的碘化铅形成的，碘化铅是制造过程中使用的钙钛矿材料的重要组成部分。然而，这项研究表明，就从钙钛矿捕获电荷而言，它们似乎是良性的，对效率几乎没有影响。
研究人员决定使用一种通常用来降低钙钛矿缺陷密度的方法——用光和氧处理——来观察这些缺陷会有什么反应。他们通过将钙钛矿暴露在可见光和温和氧化的气氛中来做到这一点。有趣的是，他们发现缺陷的反应方式不同。例如，最有害的晶界缺陷被修复并停止捕获空穴。然而，对其他缺陷类型的影响更加微妙，不一定有利。
“这项研究表明，我们可能需要有针对性的方法来解决不同缺陷类型的不良影响，从而提高钙钛矿太阳能电池的性能，”达尼教授总结道。
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