量子创新推动低成本替代太阳能技术作者：多伦多大学 Tyler Irving博士后研究员郝晨展示了一种原型倒置钙钛矿太阳能电池。该团队利用量子力学来提高这种替代太阳能技术的稳定性和效率。学分：陈斌多伦多大学应用科学与工程学院的一组研究人员利用量子力学优化了一种被称为倒置钙钛矿太阳能电池的设备中的活性层——这项技术有朝一日可能会产生大规模市场化的太阳能电池，目前市场上的一小部分。目前，几乎所有商业太阳能电池都是由高纯度硅制成的，生产需要大量能源。但世界各地的研究人员正在试验替代太阳能技术，这些技术可以以更少的能源和更低的成本制造和安装。

萨金特集团实验室正在研究的这些替代品之一被称为钙钛矿。钙钛矿材料的力量来自其独特的晶体结构，这使它们能够在非常薄的层中吸收光并将其有效地转化为电能。

“钙钛矿晶体由液体油墨制成，并使用行业中已经成熟的技术（例如卷对卷印刷）涂覆在表面上，”萨金特实验室的博士后研究员、四位合作伙伴之一的 Hao Chen 说- 在Nature Photonics上发表的一篇新论文的主要作者。

“正因为如此，钙钛矿太阳能电池有可能以比硅低得多的能源成本大规模生产。挑战在于，目前钙钛矿太阳能电池的稳定性落后于传统的硅电池。在这项研究中，我们旨在缩小这一差距。 "

陈，以及他的共同主要作者——博士。候选人 Sam Teale 和博士后研究员 Bin Chen 和 Yi Hou——正在使用基于倒置太阳能电池结构的策略。

在大多数原型钙钛矿太阳能电池中，电子通过电池底层的负极离开，它们留下的“孔”通过顶部的正极离开。

颠倒这种安排可以使用替代制造技术，过去的研究表明，这些可以提高钙钛矿层的稳定性。但这种变化是以性能为代价的。

“钙钛矿层和顶部电极之间很难获得良好的接触，”陈说。“为了解决这个问题，研究人员通常会插入一个由有机分子制成的钝化层。这在传统方向上效果很好，因为‘空穴’可以直接穿过这个钝化层。但是电子被这层阻挡，所以当你反转细胞它成为一个大问题。”该团队通过利用量子力学克服了这一限制——在非常小的长度尺度上描述材料行为的物理原理与在较大长度尺度上观察到的不同。

“在我们的太阳能电池原型中，钙钛矿被限制在极薄的一层——只有一到三个晶体高度，”蒂尔说。“这种二维形状使我们能够访问与量子力学相关的特性。例如，我们可以控制钙钛矿吸收的光波长，或者电子在层内的移动方式。”

该团队首先使用其他小组建立的化学技术在他们的太阳能电池顶部产生二维钙钛矿表面。这使钙钛矿层能够自行实现钝化，完全不需要有机层。

为了克服电子阻挡效应，该团队将钙钛矿层的厚度从一个晶体的高度增加到了三个。计算机模拟表明，这种变化将充分改变能量格局，使电子能够逃逸到外部电路中，这一预测在实验室中得到了证实。

该团队电池的功率转换效率测得为 23.9%，在室温下运行 1,000 小时后该水平没有下降。即使在高达 65 C 的温度下进行行业标准的加速老化过程，使用 500 多个小时后性能也仅下降 8%。

未来的工作将集中在进一步提高电池的稳定性，包括在更高的温度下。该团队还希望建造表面积更大的电池，因为目前的电池只有大约 5 平方毫米大小。

尽管如此，目前的结果对于这种替代太阳能技术的未来来说是个好兆头。

“在我们的论文中，我们将我们的原型与最近发表在科学文献中的传统和倒置钙钛矿太阳能电池进行了比较，”Teale 说。

“我们实现的高稳定性和高效率的结合非常突出。我们还应该记住，钙钛矿技术只有几十年的历史，而硅已经研究了 70 年。还有很多改进来。”