有机金属推动钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性的新纪录

在钙钛矿太阳能电池中添加有机金属化合物可以显著提高它们的效率和稳定性，使它们能够运行1000小时而性能下降很小。研究人员认为，这些细胞现在可以迈出商业化的第一步。

钙钛矿太阳能电池比硅太阳能电池有很多优势。最值得注意的是，钙钛矿与硅不同，它是直接带隙半导体，这意味着它们吸收光的效率要高得多，因此只需要一层薄层。因此，它们可以用溶液工艺廉价地制备。不幸的是，它们对水分、空气甚至光线都很敏感。许多研究小组已经试验了各种稳定技术，但迄今为止，还没有钙钛矿光伏电池显示出接近商业太阳能电池所要求的耐久性，后者通常可以保证25年。

传统的n-i-p钙钛矿太阳能电池有n结，它面朝光提取电子，然后是底部有p结的钙钛矿。然而，在这项工作中，使用了倒置的钙钛矿太阳能电池，其中连接是切换的。这些有前途的器件的稳定性有所提高，但其效率记录为23.3%，比最好的传统设计低2.4个百分点。

有机金属化合物二茂铁已被证明有助于从钙钛矿中提取电子，提高电池效率，并稳定界面。因此，研究人员对含有各种二茂铁衍生物的太阳能电池进行了实验，结果不尽相同。听完有机金属化学家尼古拉斯长伦敦帝国理工学院的新二茂铁化合物，材料化学家Zonglong朱建议将它们整合到太阳能电池中。Long的小组随后设计了一系列二茂铁化合物。朱教授在香港城市大学的团队设计了光伏电池，在n结和钙钛矿之间各有一层有机金属化合物——最成功的电池含有二茂铁-双噻吩-2-羧酸盐。然后，研究人员进行了密度泛函理论建模，以及光谱和微观分析，并得出结论，中央二茂铁基团有利于电荷提取，而取代基向下延伸到钙钛矿，抑制通常导致分解的离子迁移。朗解释说:“茂金属上的这些侧臂是特别重要的。”

研究人员记录了他们的设备25%的效率，一个独立的测试实验室证实了24.3%的破纪录。然后，研究人员对这些电池进行了国际公认的商用太阳能电池压力测试:在85°C和85%相对湿度下连续进行相当于太阳的照明1000小时后，他们的设备仍然以初始功率的95%以上运行。“在现实中，我们不可能对它进行20年的测试，然后将其商业化，”朱伟说。“硅太阳能电池将在这些压力测试中承受3%的损失，这些测试的设计非常严格，能够准确地显示长期性能。我们的设备性能与硅类似，所以我们相信它应该具有与硅类似的稳定性。”

材料科学家说:“他们在这里描述的是包括我的团队在内的许多团队在过去四五年里一直在做的事情——在钙钛矿上面放置一种有机材料，以防止钙钛矿与电子选择性接触……但结果相当惊人。胡安-帕布鲁Correa-Baena他的工作是p-i-n太阳能电池。

然而，他对电池超过1000小时的稳定性能否预测其长期耐用性表示怀疑。“在硅材料中，我们可以进行这种压力测试，并推断出它们能持续多长时间。他说:“在钙钛矿中，我们还发生了离子诱导的其他事情，这引入了一个新的变量，导致我们还没有完全理解的长期降解。”他认为需要进行更多的基础研究。他说:“为了让我们了解是什么导致了降解，或者是什么阻止了降解，我们必须在材料降解时进行现场测量，而这是人们实际上没有做的事情。”