一个国际研究小组开发了一种新技术，以提高倒钙钛矿太阳能电池的耐用性 - 这是新兴光伏技术商业化的重要一步，该技术可以显着降低太阳能的成本。

与由极高纯度硅晶片制成的传统太阳能电池不同，钙钛矿太阳能电池由纳米级晶体制成。这些钙钛矿晶体可以分散成液体，并使用低成本、成熟的技术旋涂到表面上。

还可以通过调整晶体膜的厚度和化学成分来调整钙钛矿吸收的光波长。调谐到不同波长的钙钛矿层甚至可以堆叠在一起，或者堆叠在传统的硅电池之上，导致“串联”电池吸收比当今设备更多的太阳光谱。

发表在《科学》杂志上的最新工作包括来自多伦多大学，西北大学，托莱多大学和华盛顿大学的研究人员。

“钙钛矿太阳能电池有可能克服硅太阳能电池固有的效率限制，”该研究的共同作者Ted Sargent说，他最近加入了西北大学化学系和电气与计算机工程系，但仍隶属于多伦多大学工程学院，在那里他有一个研究实验室。

“它们也适用于成本远低于硅的制造方法。但是钙钛矿仍然落后于硅的一个地方是其长期耐用性。在这项研究中，我们采用了一种合理设计的方法，以一种新的独特方式解决了这个问题。

近年来，萨金特和他的合作者取得了一些进展，提高了钙钛矿太阳能电池的性能。但是，尽管之前的大部分工作都集中在提高效率上，但他们的最新工作着眼于耐用性的挑战。

“这些类型的太阳能电池的一个关键脆弱性是钙钛矿层和相邻层之间的界面，我们称之为载流子传输层，”博士后研究员Chongwen Li说，他最近从托莱多大学搬到多伦多大学工程学院，是该论文的主要合著者之一。

“这些相邻层提取将流过电路的电子或空穴。如果这些层和钙钛矿层之间的化学键被光或热破坏，电子或空穴就无法进入电路 - 这会降低电池的整体效率，“李说。

为了解决这个问题，国际研究小组回到了第一原则。他们使用基于密度泛函理论(DFT)的计算机模拟来预测哪种分子最适合在钙钛矿层和电荷传输层之间建立桥梁。

“以前的研究表明，被称为刘易斯碱的分子有利于在这些层之间建立牢固的键合，”萨金特实验室的博士后研究员陈斌说，他现在是西北大学的研究助理教授，也是该论文的共同作者。

“这是因为分子的一端与钙钛矿层中的铅原子键合，另一端与载流子传输层中的镍键合。我们的模拟预测是，含有磷元素的路易斯酸将产生最佳效果。

在实验室中，研究小组尝试了含磷分子的各种配方。他们的实验表明，使用称为1，3双(二苯基膦)丙烷或DPPP的材料具有最佳性能。

该团队建造了含有DPPP的倒钙钛矿太阳能电池，以及一些不含DPPP的电池。他们对这两种类型的电池进行了测试，模拟了太阳能电池在现场将经历的条件，用与太阳强度相似的光照亮它们。他们还尝试将它们暴露在高温下，无论是在光明还是黑暗中。

“使用DPPP，在环境条件下 - 即没有额外的加热 - 电池的整体功率转换效率保持高水平约3，500小时，”李说。

“先前在文献中发表的钙钛矿太阳能电池在1，500至2，000小时后的效率往往会显着下降，因此这是一个很大的改进。

李说，该团队已经申请了DPPP技术的专利，并且已经收到了商业太阳能电池制造商的兴趣。

“我认为我们所做的是展示一条新的前进道路 - DFT模拟和理性设计可以为有前途的解决方案指明道路，”他说。

“但那里可能还有更好的分子。最终，我们希望钙钛矿太阳能电池可以与硅进行商业竞争，硅是当今最先进的光伏技术。这是朝着这个方向迈出的重要一步，但还有很长的路要走。