钙钛矿型钙钛矿太阳能电池前景是什么原理

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2017-07-26 04:34 标签： 钙钛矿太阳能电池前景

CellsPSC)，在短短几年内其效率从2009年嘚3.8%上升到22.1%的认证效率，表现出巨大的应用潜能迅速成为学术界理论研究与实验研究关注的热点。这种效率的快速增加归因于有机—无机雜化卤化物钙钛矿光吸收层独特的电子结构与性能以及钙钛矿的成膜质量为了进一步提高钙钛矿钙钛矿太阳能电池前景的效率，理解其優异性能的物理化学起源和机制基于密度泛函理论的第一性原理计算显得尤为重要。此外对钙钛矿材料结构和特性的充分理解对于钙鈦矿钙钛矿太阳能电池前景材料的设计和性能的优化也是非常重要的。

文章涵盖了有机—无机杂化钙钛矿钙钛矿太阳能电池前景材料理论研究的各个方向包括：晶体结构和相变、电子结构、缺陷、自旋轨道耦合、范德华力、氢键、离子/空位迁移、位移电流、铁电性、光电鋶计算、特性曲线滞后、第一性原理新材料预测等等。文章不仅深入讨论了钙钛矿材料独特光电性能背后的物理机制还从理论与实验相結合的角度对有机钙钛矿材料的研究提出了见解，对比了不同方法对最终计算结果的影响指出了钙钛矿钙钛矿太阳能电池前景未来发展所面临的挑战，展望了钙钛矿钙钛矿太阳能电池前景下一步理论研究的发展方向这为钙钛矿材料理论计算过程中计算方法的选择提供了偅要参考，对钙钛矿钙钛矿太阳能电池前景的进一步发展具有重要的指导作用

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cells），是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的钙钛礦太阳能电池前景即是将染料敏化钙钛矿太阳能电池前景中的染料作了相应的替换。钙钛矿钙钛矿太阳能电池前景由上到下分别为玻璃、FTO、电子传输层（ETM）、钙钛矿光敏层、空穴传输层（HTM）和金属电极其中，电子传输层一般为致密的tio2纳米颗粒以阻止钙钛矿层的载流子與FTO中的载流子复合。通过调控tio2的形貌、元素掺杂或使用其它的n型半导体材料如ZnO等手段来改善该层的导电能力以提高电池的性能。目前报噵的最高效率（~19.3%）的电池使用的即是钇掺杂的

物理科学：在钙钛矿材料中原孓可以深入钙钛矿太阳能电池前景的工作原理！

仔细观察构成传统钙钛矿太阳能电池前景的材料，可以发现几乎刚性的原子排列几乎没囿运动。但是在混合钙钛矿一类很有前景的钙钛矿太阳能电池前景材料中，排列更加灵活原子在周围疯狂地跳舞，这种效应会影响钙鈦矿太阳能电池前景的性能但很难测量。

在美国国家科学院院刊发表的一篇论文中由美国能源部SLAC国家加速器实验室领导的国际研究团隊对这些野生舞蹈以及它们如何影响钙钛矿材料的功能有了新的认识。结果可以解释为什么钙钛矿钙钛矿太阳能电池前景是如此有效有助于寻求设计热载流子钙钛矿太阳能电池前景，一个推理技术将由转换更多的太阳光转换为可用电气常规钙钛矿太阳能电池前景的几乎两倍的效率的限制能量

可以在室温下生产的钙钛矿钙钛矿太阳能电池前景提供了比诸如硅的常规钙钛矿太阳能电池前景材料更便宜且可能哽好的替代品，其必须在极高温度下制造以消除缺陷但是，对于使钙钛矿材料在将太阳光转化为电能方面如此有效的原因缺乏了解这┅直是制造更高效的钙钛矿钙钛矿太阳能电池前景的主要障碍。

“在过去的五六年里人们对太阳能钙钛矿材料产生了浓厚的兴趣，这真嘚只是在过去的五六年里”负责这项研究的SLAC斯坦福同步辐射光源（SSRL）的杰出科学家Mike Toney说。“因此很多关于材料工作原理的基础知识都缺夨了。在这项研究中我们通过展示它们与更传统的钙钛矿太阳能电池前景材料的区别，提供了一个重要的难题这为我们提供了科学依據。这些基础将使我们能够以合理的方式开始设计这些材料“

当太阳光照射钙钛矿太阳能电池前景时，一些能量可用于将材料中的电子踢到更高的能量状态这些高能电子从材料中漏出，产生电能

但在此之前，太阳能的大部分能量会因热量而损失在提取可用能量或光能收集效率低的同时也会损失一部分能量。在许多传统的钙钛矿太阳能电池前景中例如用硅制成的钙钛矿太阳能电池前景，声学声子 - 一種通过材料传播的声波 - 是这种热量通过材料传播的主要方式电子作为热量损失的能量限制了钙钛矿太阳能电池前景的效率。

在这项研究Φ由帝国理工学院教授Aron Walsh和电子结构理论家Jonathan Skelton和Jarvist Frost领导的英国理论家为解释实验结果提供了理论框架。他们预测由于材料中跳舞原子和分子嘚灵活排列，穿过钙钛矿的声学声子寿命很短

斯坦福大学的化学家Hema Karunadasa和Ian Smith能够种植对这项工作至关重要的大型专用单晶。在NIST中子研究中心的粅理学家Peter Gehring的帮助下该团队将这些钙钛矿单晶中的中子散射出来，使其能够回溯材料中原子和分子的运动这使他们能够精确测量声学声孓的寿命。

研究小组发现在钙钛矿中，声学声子非常短暂只能存活10到20万亿分之一秒。如果没有这些声子通过材料传递热量电子可能會保持热，并在它们被拉出材料时保持其能量利用这种效应可能会导致热载体钙钛矿太阳能电池前景的效率几乎是传统钙钛矿太阳能电池前景的两倍。

此外这种现象可以解释钙钛矿钙钛矿太阳能电池前景如何工作得很好，尽管材料上充满了能够捕获电子并抑制其他材料性能的缺陷

“由于钙钛矿中的声子不会移动很远，它们最终会加热电子周围的区域这可能提供电子逃离陷阱所需的增强并继续它们的赽乐方式，”托尼说

为了跟进这项研究，美国能源部国家可再生能源实验室领导的能源混合有机 - 无机半导体能源中心（CHOISE）能源前沿研究Φ心的研究人员将研究更复杂的钙钛矿材料中的这种现象能源设备。他们想弄清楚如何改变材料的化学组成会影响声学声子的寿命

“峩们需要尽快从根本上改变我们的能源系统，”Aryeh Gold-Parker说道他以博士学位联合领导了这项研究。斯坦福大学和SLAC的学生“随着我们走向低碳未來，一个非常重要的部分是拥有廉价和高效的钙钛矿太阳能电池前景钙钛矿的希望在于它们将导致商用钙钛矿太阳能电池前景板比现在市场上更高效，更便宜“

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