可让钙钛矿太阳能电池效率提高到31%的新型技术理论分享

美国劳伦斯伯克利国实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的分子铸造所(Molecular Foundry)以及人工光合作用联合研究中心(Joint Center for Artificial Photosynthesis)的研究团队利用钙钛矿太阳能电池表面的原子力显微镜影像，显示经由控制晶粒边界实现更大转换效率的新途径。

从实验室的影像来看，黑色线条标示出每个晶粒的轮廓、低效能晶面部份以红色标示，绿色晶面部份代表高性能。如果能够生长材料，以便发展出更多高性能晶面部份，那么就能在效能方面取得大幅进展。 20160707 perovskite NT01P1 透过钙钛矿太阳能电池粒状表面的显微镜影像，揭露可实现更高效率的全新路径。黑线标示单个晶粒的轮廓、低效能晶面部份以红色标示，绿色晶面代表高性能。如果能够生长材料，发展出更多高性能的晶面，那么就能在效能方面取得大幅进展。（来源：Berkeley Lab） 光传导原子力显微镜让研究人员能够在太阳能电池的主动层映像两种有关的光电效率特性——显示由长约200nm晶粒组成的崎岖不平表面，以及在各个晶粒间能源转换效率的巨大差异。研究人员发现，低效晶面与高效晶面毗邻，有些晶面甚至达到材料能效转换限制的理论值——31%。

“如果材料可以合成，使其仅发展极具效率的晶面，那么我们就能看到钙钛矿太阳能电池的效率大幅进展，甚至可能达到31%，”Molecular Foundry博士后研究员Sibel Leblebici表示。

研究团队使用甲基氨基碘化铅(Methylammonium Lead Iodide，CH3NH3PbI3)打造钙钛矿太阳能电池，而且也制造出无电极层的第二组半电池。研究人员们在1平方公分的薄膜上封装8个这种电池，并于Molecular Foundry进行分析——以10nm分辨率映像电池表面拓墣。研究人员们并分析与电池光电转换效率有关的两种特性：光电电流产生，以及开路电压。

结果显示相同晶粒的不同晶面之间，在光电流产生方面存在10倍差异，而在开路电压上则有0.6V的不同。此外，具有较高的光电流产生的晶面通常具有较高的开路电压，而低光电流产生的晶面开路电压也较低。

实际上，这些晶面的表现就像数十亿个微型的太阳能电池，全部都以并联方式连接。如同科学家所发现的，有些电池运作良好，有的却很糟糕。在这种情况下，电流朝向故障的电池流去，降低了材料的整体性能。但是，如果该材料可以被优化，只让高效率的晶面与电极连接，可望减少因低效晶面造成的损坏。

“这意味着，以宏观的规模来看，材料可能达到接近31%转换效率极限的理论值，”人工光合作用联合研究中心科学家Ian Sharp表示。

这一发现不仅适用于太阳能电池，描述实验结果的理论模型可用于预测晶面，从而在使用LED时影响光的发射。