钙钛矿太阳能电池有很多优点。它们生产简单，成本低廉，提供了灵活性，可以开启一系列新的安装方法和场所，近年来已经达到了接近传统硅基电池的能源效率。
但要想制造出持续时间超过几个月的钙钛矿能源设备，一直是个挑战。
现在，来自佐治亚理工学院、加州大学圣地亚哥分校和麻省理工学院的研究人员报告了关于钙钛矿的新发现太阳能电池这可能会为性能更好的设备开辟道路。
“钙钛矿太阳能电池有很多潜在的优势，因为它们非常轻，可以用柔性塑料基板制造，”佐治亚理工学院材料科学与工程学院的助理教授Juan-Pablo Correa-Baena说。“然而，要想在市场上与硅基太阳能电池竞争，它们需要更高效。”
这项研究发表在2月8日的杂志上科学由美国能源部和国家科学基金会赞助，研究人员更详细地描述了在传统钙钛矿中添加碱金属如何获得更好的性能的机制。
加州大学圣地亚哥分校的纳米工程教授大卫·芬宁说:“钙钛矿真的可以改变太阳能领域的游戏规则。”“他们有潜力在不放弃性能的情况下降低成本。但从根本上讲，还有很多东西需要学习材料”。
要理解钙钛矿晶体，将其晶体结构看作三元结构是有帮助的。三和弦的一部分通常是由铅元素构成的。第二种通常由有机成分组成，如甲基铵，第三种通常由其他卤化物组成，如溴和碘。
近年来，研究人员专注于测试不同的配方以获得更好的功效，比如在结构的主要成分中加入碘和溴。后来，他们尝试用铯和铷取代钙钛矿中通常由有机分子占据的部分。
科雷亚-巴埃纳说:“我们从早期的工作中知道，在混合溴和碘铅钙钛矿中加入铯和铷，可以获得更好的稳定性和更高的性能。”
但为什么添加这些碱金属能提高钙钛矿的性能却鲜为人知。
为了准确地理解为什么这似乎是起作用的，研究人员使用高强度x射线测绘在纳米尺度上检查钙钛矿。
“通过观察钙钛矿材料的组成，我们可以看到每个单独的元素在提高设备性能方面是如何发挥作用的，”加州大学圣地亚哥分校纳米工程博士生Yanqi (Grace) Luo说。
他们发现，当把铯和铷加入到混合溴和碘铅钙钛矿中时，会使溴和碘更均匀地混合在一起，与没有这些添加剂的材料相比，可以提高高达2%的转化率。
芬宁说:“我们发现，化学和结构上的均匀性有助于钙钛矿太阳能电池发挥最大潜能。”“这种主干线上的任何异质性就像是链条上的一个薄弱环节。”
即便如此，研究人员还观察到，当添加铷或铯时，溴和碘变得更加均匀，卤化物金属本身在它们自己的阳离子中仍然相当密集，在太阳能电池中产生不产生电流的不活跃“死区”。
“这令人惊讶，”芬宁说。“这些死亡区通常会使太阳能电池失效。在其他材料中，它们就像黑洞一样，从其他区域吸收电子并永不释放，因此会失去电流和电压。
“但是在这些钙钛矿中，我们发现铷和铯周围的死区并不会对太阳能电池的性能造成太大的损害，尽管会有一些电流损失，”芬宁说。“这表明这些材料有多么坚固，但也表明有更多的改进机会。”
这些发现加深了人们对钙钛矿这可能为未来的改进奠定基础。
科雷亚-巴埃纳说:“这些材料有望具有非常高的成本效益和高性能，这正是我们确保广泛部署光伏板所需要的。”“我们想要尝试抵消气候变化的问题，所以我们的想法是拥有尽可能便宜的光伏电池。”
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