分子电影曝光钙钛矿太阳能电池的内部工作原理

一部“分子电影”揭示了钙钛矿太阳能电池对光的反应。这项工作可以帮助解释为什么这些结构如此擅长将光转化为电。

硅太阳能器件仍然是光伏市场的主导力量，占2016年器件产量的94%左右。尽管其他电池的性能都未能超越硅，但钙钛矿提供了一种很有前途的替代品。

自2009年被发现以来，这种新设备的效率持续攀升，在不到两年的时间里从14%上升到20%。然而，与硅不同的是，人们对金属-有机卤化物结构如何将光转化为电知之甚少。

“硅太阳能电池工作原理的物理和化学原理已经很清楚了，”他解释道亚伦Lindenberg来自美国斯坦福大学，他的团队进行了这项研究。“相比之下，混合钙钛矿独特功能的基本方面则不然。”

即便如此，物理学家们仍然了解整个过程。就像硅器件一样，钙钛矿薄膜，通常是甲基铵碘化铅(MAPbI)_3.)，夹在两个电荷提取层之间。一旦暴露在光线下，钙钛矿晶格中产生的空穴和电子就会向外层移动，从而产生电流。但没有人知道晶格是如何对光做出反应的，以及为什么它是如此高效的光采集器。

更困难的是，所有这一切都发生在飞秒(10^-15年林登伯格哀叹道:“这就像试图理解一台复杂机器的工作原理，却因为太小或太快而看不到其底层部件。”

钙钛矿的电影

林登伯格的团队决定将这一过程置于聚光灯下斯坦福线性加速器中心这里拥有世界上最快的“电子相机”之一。该小组首先向40纳米厚的MAPbI发射了40英尺的激光脉冲_3.薄膜激发钙钛矿。接着，他们向该结构发射电子束以获得衍射图样。

通过延迟光束之间的时间，该小组可以收集一系列电子衍射快照，并确定钙钛矿晶格在光照下是如何变形的。Lindenberg评论说:“我们的测量表明，钙钛矿结构正在以一种相当不寻常和意想不到的方式变形。”

钙钛矿的结构与钙钛氧化物相似，铅原子位于碘八面体的中心。甲基铵原子占据了这些八面体之间的空间。在10皮秒内(10^-12年S)的光照下，碘原子围绕中心铅原子运动，同时与铅原子保持恒定距离。林登伯格说:“人们可以想象碘原子在每个铅周围的球体表面上运动。”

这些原子旋转如何导致电荷在薄膜中自由流动，并解释钙钛矿的高效率，还有待观察。尽管如此，林登伯格希望电子相机将继续提供“对这些材料如何工作的新的、基本的理解”。

Lindenberg表示，该技术还可能揭示钙钛矿电池的稳定性，这将最终决定该行业是否采用该设备。这是一个已知的技术问题近年来，这在一定程度上阻碍了它的商业化之路。

伊娃·昂格尔来自瑞典隆德大学和德国柏林亥姆霍兹中心的光伏研究人员说，相机提供了一种独特的方式来探测这些材料。“理解光伏材料的特殊光物质相互作用是至关重要的，”昂格尔说。“这些实验结果让我们得以一窥金属卤化物钙钛矿在吸收光子时的复杂动态响应。”