可以從太陽產(chǎn)生能量的光伏(PV)電池對于解決當前的環(huán)境危機可能非常有用。鈣鈦礦光伏電池(由金屬鹵化物鈣鈦礦半導體制成的電池)最近被證明特別有前途，因為研究人員設(shè)法將其功率轉(zhuǎn)換效率從3.8%一直提高到25.2%。

鈣鈦礦的卓越效率使其成為下一代可低溫加工的光伏技術(shù)發(fā)展的領(lǐng)先競爭者。鈣鈦礦型光伏電池可具有兩種主要的設(shè)計原型：所謂的規(guī)則(壓區(qū))結(jié)構(gòu)和倒置(銷形)結(jié)構(gòu)。到目前為止，具有規(guī)則結(jié)構(gòu)的電池已實現(xiàn)了最高的功率轉(zhuǎn)換效率，而具有反向結(jié)構(gòu)的電池已獲得了更長的工作時間。

阿卜杜拉國王科技大學(KAUST)和多倫多大學的研究人員最近能夠減小以前觀察到的具有規(guī)則結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦型光伏電池與具有反向結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦型光伏電池之間的效率差距。他們發(fā)表在《自然能源》上的論文介紹了一種新的設(shè)計策略，該策略使他們能夠制造出使用壽命長，功率轉(zhuǎn)換效率高達22.3%的倒裝太陽能電池。

參與這項研究的研究人員之一鄭小鵬對TechXplore表示：“基于規(guī)則結(jié)構(gòu)的效率最高的鈣鈦礦光伏設(shè)備必須在其空穴傳輸材料中摻入離子摻雜劑。” “通過消除這些不穩(wěn)定的摻雜物，反向光伏器件為技術(shù)的運行穩(wěn)定性做出了貢獻。不幸的是，反向鈣鈦礦光伏的功率轉(zhuǎn)換效率大大落后于常規(guī)結(jié)構(gòu)器件(分別為20.9%和25.2%)。 ”

Zheng認為，要使鈣鈦礦光伏技術(shù)真正產(chǎn)生商業(yè)和環(huán)境影響，研究人員首先需要確保其在操作穩(wěn)定性和功率轉(zhuǎn)換效率方面都出色。他與KAUST和多倫多大學的同事合作開發(fā)的設(shè)計策略可以通過改善通常用于制造PV器件的鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)和光電性能來幫助實現(xiàn)這一目標。

Zheng和他的同事在鈣鈦礦材料中添加了痕量不同鏈長的表面錨定烷基胺配體(AAL)。這使得它們可以改變材料的某些特性，從而導致功率轉(zhuǎn)換效率高于具有倒置結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦型PV太陽能電池中通常觀察到的功率轉(zhuǎn)換效率。

“我們發(fā)現(xiàn)在加工過程中僅痕量的烷基胺就足以通過以下有利方式改變鈣鈦礦材料的性能：(i)促進晶粒取向;(ii)抑制陷阱態(tài)密度;(iii)減少載流子非輻射重組(即損失)，以及增強載流子遷移率和擴散長度;(iv)抑制鈣鈦礦中的離子遷移，”參與這項研究的另一位研究員Yi Hou對TechXplore說。

Zheng，Hou及其同事使用的AAL表面改性鈣鈦礦薄膜與未改性薄膜相比具有(100)取向和低得多的陷阱態(tài)密度。它們還具有增強的載流子遷移率和擴散長度，從而使器件具有22.3%的經(jīng)認證穩(wěn)定功率轉(zhuǎn)換效率。