此图显示了背景中的钙钛矿光伏电池，单个钙钛矿晶体显示为彩色单元s . Credit:CUBE3D Graphic perovskets是最终取代硅作为sol ar面板首选材料的领先候选材料。它们为低成本、低温制造超薄、轻质柔性电池提供了潜力，但迄今为止，它们将阳光转化为电能的效率落后于硅和其他一些替代品。现在，一种设计钙钛矿电池的新方法已经推动这种材料达到或超过当今典型硅电池的效率，其效率通常在20%至22%之间，为进一步的改进奠定了基础。
通过在钙钛矿材料上添加一层经过特殊处理的二氧化锡导电层，为电池中的电荷载流子提供了一条改进的路径，并通过修改钙钛矿公式，研究人员将其作为太阳能电池的整体效率提高到了25.2%——这几乎是这种材料的最高纪录，超过了许多现有太阳能电池板的效率。(然而，与硅相比，钙钛矿的寿命仍然明显滞后，这是世界各地的团队正在努力应对的挑战。)
麻省理工学院20岁的化学教授杰森·尤博士和电气工程和计算机科学教授莱斯特·沃尔夫·穆恩吉·巴文迪、新兴技术教授法里博尔兹·马塞赫以及麻省理工学院、韩国和佐治亚州的其他11人在《自然》杂志上发表了一篇论文，描述了这些发现。
钙钛矿是一大类材料，它们有一种特殊的分子排列或晶格，类似于天然存在的矿物钙钛矿。有大量可能的化学组合可以制造钙钛矿，柳解释说，这些材料吸引了全世界的兴趣，因为“至少在纸面上，它们可以比硅或砷化镓便宜得多，”其他主要竞争者之一。这部分是因为更简单的加工和制造过程，对于硅或砷化镓来说，这需要超过1000摄氏度的持续加热。相比之下，钙钛矿可以在低于200℃的温度下，在溶液中或通过气相沉积进行加工。
钙钛矿相对于硅或许多其他候选替代品的另一个主要优势是，它可以形成非常薄的层，同时仍能有效地捕获太阳能。巴文迪说:“钙钛矿电池有可能比硅轻几个数量级。
钙钛矿比硅具有更高的带隙，这意味着它们吸收光谱的不同部分，因此可以补充硅电池，提供更高的综合效率。但即使只使用钙钛矿，Yoo说，“我们正在证明的是，即使只有一个有源层，我们也可以制造出威胁硅的效率，并且有希望在砷化镓的冲压距离内。这两种技术都存在的时间比钙钛矿要长得多。”
巴文迪解释说，该团队提高材料效率的关键之一是精确设计构成钙钛矿太阳能电池的一层夹层——电子传输层。钙钛矿本身被一层透明的导电层覆盖，用来将电流从电池输送到可以使用的地方。然而，如果导电层直接附着在钙钛矿本身上，电子和它们的对应物，称为空穴，只需在现场重新结合，就没有电流流动。在研究人员的设计中，钙钛矿和导电层被一种改进的中间层分开，该中间层可以让电子通过，同时防止复合。
这个中间的电子传输层，尤其是它与每一侧的层连接的界面，往往是效率低下的地方。通过研究这些机制并设计一个由氧化锡组成的层，使其与邻近的氧化锡层更加一致，研究人员能够大大减少损失。
他们使用的方法叫做化学浴沉积。“这就像在瓦罐里慢煮一样，”巴文迪说。在90摄氏度的浴中，前体化学物质慢慢分解，在原位形成二氧化锡层。“研究小组意识到，如果我们理解了这些前体的分解机制，那么我们就能更好地理解这些薄膜是如何形成的。我们能够找到合适的窗口来合成具有理想性质的电子传输层。”
经过一系列的控制实验，他们发现中间化合物会形成不同的混合物，这取决于前体溶液的酸度。他们还发现了一个前体成分的最佳位置，这使得反应能够产生更有效的薄膜。
研究人员将这些步骤与钙钛矿层本身的优化相结合。他们在钙钛矿配方中使用了一组添加剂来提高其稳定性，这种方法以前曾尝试过，但对材料的带隙有不良影响，使其成为效率较低的光吸收剂。研究小组发现，通过添加更少量的这些添加剂——不到1%——它们仍然可以在不改变带隙的情况下获得有益的效果。
Yoo说，由此带来的效率提升已经将这种材料的理论最高效率提高到了80%以上。
虽然这些高效率在小型实验室规模的设备中得到了证明，但巴文迪说，“我们在这篇论文中提供的见解，以及我们提供的一些技巧，可能会应用于人们现在为大规模、可制造的钙钛矿电池开发的方法，从而提高这些效率。”
他表示，在进一步进行研究时，有两个重要途径:继续提高效率的极限，以及专注于提高材料的长期稳定性，目前这种稳定性是以月为单位衡量的，而硅电池则是以十年为单位。但巴文迪指出，出于某些目的，长寿可能并不那么重要。例如，许多电子设备，如手机，无论如何都倾向于在几年内被替换，因此即使对于寿命相对较短的太阳能电池，也可能有一些有用的应用。
“我认为我们还没有实现这些细胞，即使是这种短期应用，”他说。“但人们越来越接近了，所以将我们在这篇论文中的想法与其他人越来越稳定的想法结合起来，可能会带来一些真正有趣的东西。”
伦敦帝国理工学院的材料讲师罗伯特·侯烨没有参与这项研究，他说:“这是一个国际团队的出色工作。”他补充道，“这可能会带来更高的重现性，以及在实验室转化为商业化模块时实现的出色设备效率。就科学里程碑而言，它们不仅实现了去年大部分时间钙钛矿太阳能电池的认证记录，还实现了高达辐射极限97%的开路电压。对于从溶液中生长的太阳能电池来说，这是一项惊人的成就。”
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