在阳光的影响下，卤化物溴化物和碘化物会发生分离。功劳:埃因霍温理工大学钙钛矿制成的太阳能电池价格低廉，易于生产，效率几乎与传统用于太阳能电池的材料硅相当。然而，钙钛矿电池与太阳有着爱恨情仇的关系。它们发电所需要的光也碰巧损害了电池的质量，从而严重限制了它们的效率和长期稳定性。埃因霍温理工大学的研究人员现在已经开发出一种理论，解释了为什么复合钙钛矿电池在阳光下不稳定。这项研究发表在《自然通讯》上。钙钛矿是太阳能电池硅的一种有吸引力的替代物，因为它丰富且易于生产。此外，在过去的十年里，钙钛矿太阳能电池的性能有了显著的提高，效率达到25%以上，接近硅太阳能电池的水平。
钙钛矿太阳能电池板通常由卤化物制成，这种化合物将有机材料如甲基铵或甲铵与金属(通常是铅或锡)和卤化物如溴化物或碘化物结合在一起。新的研究集中于五种流行的卤化物，它们的共同点是结合了溴化物和碘化物。
这种组合特别有效，因为它允许“调谐”带隙，或在材料中产生电能所需的最小光子能量。这在所谓的串联太阳能电池中特别有用，其中钙钛矿与硅结合，并且需要对各种带隙进行完美的“调谐”以确保最佳性能。
解开隔离之谜
然而，有一个障碍。虽然阳光为钙钛矿电池提供了产生电能所需的光子能量，但也损害了它们的稳定性。随着时间的推移，这将影响他们的表现。虽然钙钛矿和太阳之间的爱恨关系在该领域是众所周知的，但却鲜为人知。
“要想知道发生了什么，你需要看看当光进入太阳能电池时，原子层面发生了什么，”应用物理系教授、该文章的合著者彼得·博伯特(Peter Bobbert)说。由入射光子产生的光载流子(电子和空穴)倾向于聚集在带隙最低的地方，在这种情况下是化合物中自发产生的富含碘化物的区域
如果有足够的光，就会引发连锁反应，越来越多的碘化物聚集在富含碘化物的区域，越来越多的溴化物被排出。化合物随后的分离倾向于将产生电的光载流子捕获在这些低带隙区域，严重阻碍了电池的效率。
自由能
除了彼得·博伯特之外，在计算能源研究中心一起工作的研究人员还包括·陈、吉尔特·布罗克斯和·陶，他们开发了一个理论模型，可以解释为什么会发生这种情况。“我们关于光诱导卤化物偏析的统一理论着眼于光伏电池中钙钛矿的总自由能，无论是在黑暗中还是当电池暴露在阳光下时，”Bobbert解释道。
“受激光载流子倾向于移动到自由能最低的区域，在这种情况下是带隙最低的区域。通过分析这一过程，我们能够根据温度、光照条件和溴化物浓度来区分每种化合物的稳定、亚稳定和不稳定区域。”
解决方法
这个理论的美妙之处在于，它揭示了一条可行的途径，可以解决化合物分离的问题。最显而易见的解决方案是限制照射在电池上的光线，但这会对效率产生不利影响。更有希望的方法是改变化合物中溴化物的量。
“根据我们的计算，你可以准确地预测你可以向化合物中加入多少溴化物来增加它的带隙，而不会使化合物不稳定，”Bobbert说。“通过不混合过量的溴化物，您可以避免分离，同时仍然获得适用于串联电池的相当大的带隙。”
本文给出了一个铯-铅复合电池的例子，它的溴化物浓度稳定在42%(在常温和阳光条件下)。这应该保证1.94 eV的最大带隙，对于高效串联太阳能电池的顶层来说已经足够了。
其他解决方案
据研究人员称，该理论非常灵活，这使得它适用于通过与其他材料合金化来调节带隙的其他半导体材料，也适用于尚未考虑的情况，如应变引起的带隙变化。
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