钙钛矿是一类具有特定晶体结构的化合物，长期以来一直被视为当今硅或碲化镉太阳能电池板的有前途的替代品或补充。它们可以更轻、更便宜，并且可以涂覆在几乎任何基材上，包括可以卷起来以便于运输的纸张或柔性塑料。

在将阳光转化为电能的效率方面，钙钛矿正在与硅相媲美，而硅的制造仍然需要漫长、复杂和能源密集型的过程。剩下的一大缺点是寿命：它们往往会在几个月到几年内损坏，而硅太阳能电池板可以持续二十多年。而且它们在大模块面积上的效率仍然落后于硅。

现在，麻省理工学院和其他几个机构的一组研究人员揭示了通过设计钙钛矿器件的纳米级结构来优化效率和更好地控制降解的方法。

该研究揭示了如何制造高效钙钛矿太阳能电池的新见解，并为致力于将这些太阳能电池推向商业市场的工程师提供了新的方向。

这项工作在《自然能源》杂志上进行了介绍，作者是麻省理工学院的博士后 Dane deQuilettes，他现在是麻省理工学院衍生公司 Optigon 的联合创始人兼首席科学官，与麻省理工学院的教授 Vladimir Bulovic 和 Moungi Bawendi 以及其他 10 人一起麻省理工学院、华盛顿州、英国和韩国。

“十年前，如果你问我们太阳能技术快速发展的最终解决方案是什么，答案会是与硅一样有效但制造要简单得多的东西，”布洛维奇说。

“在我们意识到之前，钙钛矿光伏领域就出现了。它们的效率与硅一样，而且就像在纸上绘画一样容易。其结果是该领域的巨大兴奋。”

尽管如此，“以我们以前从未做过的方式处理和管理这种材料存在一些重大的技术挑战，”他说。但前景如此巨大，以至于世界各地数百名研究人员一直致力于这项技术的研究。

这项新研究着眼于一个非常小但关键的细节：如何“钝化”材料的表面，改变其性能，使钙钛矿不再快速降解或失去效率。

Bulovic 说：“关键是确定界面的化学性质，即钙钛矿与其他材料相遇的地方。”他指的是不同材料堆叠在钙钛矿旁边的地方，以促进电流流过设备。

工程师们已经开发出钝化方法，例如使用一种溶液来形成薄钝化涂层。但他们对这一过程的工作原理缺乏详细的了解——这对于在寻找更好的涂层方面取得进一步进展至关重要。

布洛维奇说，这项新研究“探讨了钝化这些界面的能力，并阐明了钝化效果背后的物理和科学原理。”

该团队使用世界各地实验室中一些最强大的仪器来观察钙钛矿层与其他材料之间的界面以及它们如何发展，以前所未有的细节。

Bulovic 对钝化涂层工艺及其影响的仔细检查得出了“迄今为止我们可以做的最清晰的路线图，以微调钙钛矿和邻近材料界面的能量排列”，从而提高其整体性能。说。

虽然钙钛矿材料的大部分是完美有序的原子晶格的形式，但这种顺序在表面被破坏。可能会有多余的原子突出或原子缺失的空位，这些缺陷会导致材料效率的损失。这就是需要钝化的地方。

“这篇论文本质上揭示了一本关于如何调整存在大量缺陷的表面的指南，以确保能量不会在表面损失，”德奎莱特斯说。“这对该领域来说确实是一个重大发现，”他说。“这是第一篇演示如何系统地控制和设计钙钛矿表面场的论文。”

常见的钝化方法是将表面浸泡在一种称为己基溴化铵的盐溶液中，这是该论文的合著者 Jason Jungwan Yoo 博士几年前在麻省理工学院开发的一项技术，该技术导致了多种钝化新的世界纪录效率。通过这样做，“你可以在有缺陷的表面上形成一层非常薄的层，而该薄层实际上可以很好地钝化许多缺陷，”德奎莱特斯说。

“然后，作为盐一部分的溴实际上以可控的方式渗透到三维层中。” 这种渗透有助于防止电子因表面缺陷而损失能量。

这两种效果由单个处理步骤产生，同时产生两种有益的变化。“这真的很漂亮，因为通常你需要分两步完成，”德奎莱特斯说。

钝化减少了电子被阳光击落后表面的能量损失。这些损失降低了阳光转化为电能的整体效率，因此减少损失可以提高电池的净效率。

他说，这可能会迅速提高材料将阳光转化为电能的效率。根据 deQuilettes 的说法，最近单钙钛矿层的效率记录(其中几项是由麻省理工学院创下的)范围在 24% 至 26% 之间，而可以达到的最大理论效率约为 30%。

几个百分点的增长听起来可能不多，但在太阳能光伏行业，这种改进备受追捧。“在硅光伏行业，如果效率提高半个百分点，那么在全球市场上就价值数亿美元，”他说。

最近硅电池设计的转变，主要是添加薄钝化层并改变掺杂分布，可提供约百分之五十的效率增益。因此，“整个行业正在发生转变，并迅速努力推动实现这一目标。” 他表示，过去 30 年来，硅太阳能电池的整体效率只取得了非常小的增量改进。

钙钛矿的效率纪录大多是在受控实验室环境中通过邮票大小的材料样品而创下的。“将创纪录的效率转化为商业规模需要很长时间，”德奎莱特斯说。“另一个很大的希望是，有了这种理解，人们将能够更好地设计大面积以产生这些钝化效果。”

研究人员表示，有数百种不同种类的钝化盐和许多不同种类的钙钛矿，因此这项新工作提供的对钝化过程的基本了解可以帮助指导研究人员找到更好的材料组合。“设计材料的方法有很多种，”他说。

“我认为我们即将在商业应用中首次展示钙钛矿的实际应用，”布洛维奇说。“这些首批应用程序将与我们几年后能够做的事情相去甚远。”

他补充说，钙钛矿“不应被视为硅光伏发电的替代品。它应该被视为一种增强——这是实现太阳能发电更快速部署的另一种方式。”

科罗拉多大学化学工程教授 Michael McGehee 表示：“过去两年，在寻找改善钙钛矿太阳能电池的表面处理方法方面取得了很大进展。”他并未参与这项研究。

“许多研究都是基于经验的，改进背后的机制尚未完全理解。这项详细的研究表明，处理不仅可以钝化缺陷，还可以创建一个表面场，排斥应在另一侧收集的载流子设备的。这种理解可能有助于进一步改进接口。”