揭示钙钛矿太阳能电池的微观机制

2019-02-11 09:00:09
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具有钙钛矿晶体结构的材料已经变得非常流行用于太阳能电池。虽然大多数钙钛矿是无机化合物,但这种新材料是相对便宜的有机和无机材料的混合物。在短短几年内,研究人员已经使用这些钙钛矿实现了卓越的功率转换效率,可与目前最好的光伏材料相媲美。

现在,来自日本的研究人员已经揭示了钙钛矿太阳能电池的重要组成部分如何工作的物理学 - 这一发现可以改善太阳能电池甚至更新更好的材料。他们在本周出版的AIP出版杂志“ 应用物理快报”上描述了他们的实验。

“主要的研究集中在提高[太阳能电池]效率[与钙钛矿],”筑波大学的Kazuhiro Marumoto说。“但这些太阳能电池[使用钙钛矿的工作方式]背后的微观机制尚未得到充分研究。”

太阳能电池通过将光能转换为电能来工作。例如,当光子撞击钙钛矿时,它会使电子松动。由电子腾出的空点称为空穴,并且充当带正电的粒子。随后的电子和空穴运动产生电流。

因为钙钛矿本身不能非常好地进行空穴的移动,所以太阳能电池需要额外的空穴传输材料层以促进电流流动。一种常见的空穴传输材料是称为螺-OMeTAD的化合物。为了进一步提高电流,研究人员将一种叫做LiTFSI的锂盐添加到spiro-OMeTAD中。这个过程叫做“兴奋剂”。

Spiro-OMeTAD是一种无定形材料,具有一些独特的性能。大多数固体材料具有明确定义的电子能带,其中电子和空穴可以移动以通过材料传输。例如,晶体通常具有允许电子和空穴对称流动的带结构。但是无定形材料却没有。

由于这种不对称的带结构,孔可能难以穿过无定形材料,因为它们可能被困在特定的能级中。但是,根据理论,用LiTFSI掺杂spiro-OMeTAD可以防止空穴被困。

成对的电子在spiro-OMeTAD中占据每个能级。但是当引入LiTFSI时,其中一个电子被移除,在其位置留下一个洞。该孔的存在可防止其他孔卡在该能级上,使其能够自由移动并产生电流。

以前,没有人确认过这个过程。但Marumoto和他的同事们现在已经使用电子自旋共振(ESR)光谱学来证明这种机制实际上是负责提高螺-OMeTAD携带电流的能力。

ESR光谱测量单个未配对电子的自旋,这是当螺-OMeTAD掺杂LiTFSI时产生的。在没有光的实验中,研究人员发现spiro-OMeTAD中的电子自旋数在掺杂后增加了两个数量级,证实了LiTFSI的效果。

为了了解兴奋剂如何影响钙钛矿/螺-OMeTAD太阳能电池的效率,研究人员随后对两种材料进行了实验,并将灯光打开。光诱导空穴从钙钛矿转移到螺-OMeTAD并产生电流。研究人员发现,掺杂促进了这种空穴转移,证明了LiTFSI如何提高太阳能电池的效率。

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