研究揭开了设计下一代太阳能电池的纳米级秘密

诸平

A team of MIT researchers and several other institutions has revealed ways to optimize efficiency and better control degradation, by engineering the nanoscale structure of perovskite devices. Team members include Madeleine Laitz, left, and lead author Dane deQuilettes.Photo: Courtesy of the researchers

据美国麻省理工学院新闻（MIT NEWS）2024年2月28日报道，美、英、韩研究人员合作研究，揭开了设计下一代太阳能电池的纳米级秘密（Study unlocks nanoscale secrets for designing next-generation solar cells）。这项工作将帮助研究人员调整钙钛矿（Perovskites）的表面性质，钙钛矿是硅的一种有前途的替代品和补充，用于更有效的光伏发电。

钙钛矿是一类具有特殊晶体结构的化合物，长期以来一直被视为硅或碲化镉（cadmium telluride，CdTe）太阳能电池板的有前途的替代品或补充。它们的重量更轻，价格也更便宜，而且几乎可以涂在任何基材上，包括纸张或可以卷起来方便运输的柔性塑料。

在将阳光转化为电能的效率方面，钙钛矿正变得与硅相当，而硅的制造仍然需要漫长、复杂和能源密集型的过程。一个很大的缺点是寿命:它们往往在几个月到几年的时间内就会坏掉，而硅太阳能电池板的寿命可以超过20年。而且它们在大模块面积上的效率仍然落后于硅。现在，麻省理工学院和其他几个机构的一个研究小组,通过设计钙钛矿器件的纳米级结构，揭示了优化效率和更好地控制降解的方法。相关研究结果于2024年2月28日已经在《自然能源》(Nature Energy)杂志网站发表——Dane W. deQuilettes, Jason J. Yoo, Roberto Brenes, Felix Utama Kosasih, Madeleine Laitz, Benjia Dak Dou, Daniel J. Graham, Kevin Ho, Yangwei Shi, Seong Sik Shin, Caterina Ducati, Moungi G. Bawendi, Vladimir Bulović. Reduced recombination via tunable surface fields in perovskite thin films. Nature Energy, 2024, DOI: 10.1038/s41560-024-01470-5. Published: 28 February 2024. https://www.nature.com/articles/s41560-024-01470-5

参与此项研究的有来自美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA）、美国华盛顿大学（University of Washington, Seattle, WA, USA）；韩国化学技术研究院（Korea Research Institute of Chemical Technology, Daejeon, Republic of Korea）、韩国成均馆大学（Sungkyunkwan University, Suwon, Republic of Korea）以及英国剑桥大学（University of Cambridge, Cambridge, UK）的研究人员。

该研究揭示了如何制造高效钙钛矿太阳能电池的新见解，也为致力于将这些太阳能电池推向商业市场的工程师提供了新的方向。

发表在《自然能源》(Nature Energy)杂志上论文的第一作者戴恩·德奎莱特(Dane deQuilettes)是麻省理工学院最近的博士后，现在是麻省理工学院衍生公司Optigon的联合创始人和首席科学官。他与麻省理工学院的弗拉基米尔·布洛维奇（Vladimir Bulovic）教授和与芒吉·巴文迪（Moungi Bawendi）教授以及麻省理工学院、华盛顿州、英国和韩国的其他10人一起工作。

弗拉基米尔·布洛维奇说:“十年前，如果你问我们太阳能技术快速发展的最终解决方案是什么，答案会是一些和硅一样好用但制造更简单的东西。在我们知道之前，钙钛矿光伏领域出现了。它们和硅一样高效，而且像在纸上作画一样容易。此结果在这个领域引起了极大的轰动。”

他说，尽管如此，“在处理和管理这些材料方面仍存在一些重大的技术挑战，这是我们以前从未做过的。”但前景是如此美好，以至于世界各地数以百计的研究人员一直在研究这项技术。这项新研究着眼于一个非常小但关键的细节:如何钝化材料的表面，改变其性质，使钙钛矿不再如此迅速地降解或失去效率。

弗拉基米尔·布洛维奇说：“关键是确定界面的化学性质，即钙钛矿与其他材料相遇的地方。”指的是不同材料堆积在钙钛矿旁边的地方，以促进电流通过设备。

工程师们已经开发出钝化的方法，例如使用一种溶液，形成一层薄薄的钝化涂层。但他们对这一过程的工作原理缺乏详细的了解，而这对于寻找更好的涂层至关重要。弗拉基米尔·布洛维奇说，这项新研究“解决了钝化这些界面的能力，并阐明了这种钝化为何如此有效的物理和科学原理。”

该团队使用了世界各地实验室可用的一些最强大的仪器，以前所未有的细节观察钙钛矿层和其他材料之间的界面，以及它们是如何发展的。弗拉基米尔·布洛维奇说:“对钝化涂层过程及其影响的仔细研究得出了迄今为止最清晰的路线图，我们可以做些什么来微调钙钛矿和邻近材料界面的能量排列，从而提高它们的整体性能。”

虽然钙钛矿材料的大部分是以完美有序的原子晶格的形式存在的，但这种有序在表面就被打破了。可能会有额外的原子伸出来，或者在原子缺失的地方出现空位，这些缺陷会导致材料效率的损失，这就是需要钝化的地方。

戴恩·德奎莱特说：“这篇论文本质上揭示了一本如何调整表面的指南，在那里有很多这些缺陷，以确保能量不会在表面上损失。这是该领域的一个重大发现。这是首篇展示如何系统地控制和工程钙钛矿表面场的论文。”

常见的钝化方法是将表面浸泡在一种叫做己基溴化铵（hexylammonium bromide）的盐溶液中，这是麻省理工学院几年前由本文的合著者Jason Jungwan Yoo博士开发的一种技术，该技术创造了多项新的世界纪录效率。戴恩·德奎莱特说，通过这样做，“可以在有缺陷的表面上形成了一层非常薄的层，这层薄层实际上很好地钝化了许多缺陷。然后溴，作为盐的一部分，以一种可控的方式渗透到三维层中。”这种渗透有助于防止电子因表面缺陷而损失能量。这两种效果，由单一的加工步骤产生，同时产生两种有益的变化。“这真的很漂亮，因为通常你需要两步完成，”戴恩·德奎莱特说。

钝化减少了电子在阳光照射下松散后在表面的能量损失。这些损耗降低了将阳光转化为电能的整体效率，因此减少损耗可以提高电池的净效率。

他说，这可能会迅速提高材料在将阳光转化为电能方面的效率。根据戴恩·德奎莱特的说法，最近单个钙钛矿层的效率记录，其中有几个是在麻省理工学院设定的，范围从24%到26%不等，而可以达到的最大理论效率约为30%。

几个百分点的增长可能听起来不多，但在太阳能光伏产业中，这种改进是备受追捧的。他说，“在硅光电产业中，如果你能提高0.5个百分点的效率，那在全球市场上就价值数亿美元。”最近在硅电池设计上的一个转变，本质上是增加一个薄的钝化层，改变掺杂的轮廓，提供了大约0.5%的效率增益。因此，“整个行业都在转变，并迅速努力实现这一目标。”他说，在过去的30年里，硅太阳能电池的整体效率只有非常小的进步。

钙钛矿的效率记录大多是在受控的实验室环境中用邮票大小的材料样品设定的。戴恩·德奎莱特说，“将创纪录的效率转化为商业规模需要很长时间。另一个很大的希望是，有了这种理解，人们将能够更好地设计大面积的钝化效果。”

研究人员建议，有数百种不同种类的钝化盐和许多不同种类的钙钛矿，因此这项新工作提供的对钝化过程的基本了解，可以帮助指导研究人员找到更好的材料组合。他说，“有很多不同的方法可以设计这些材料。”

弗拉基米尔·布洛维奇说:“我认为我们正站在钙钛矿商业应用的第一次实际演示的门口。这些最初的应用与我们几年后所能做到的相差甚远。”他补充道，“钙钛矿不应该被视为硅光伏电池的替代品。它应该被视为一种增强，又一种促进太阳能电力更快部署的方式。”

未参与这项研究的美国科罗拉多大学(University of Colorado)的化学工程教授迈克尔·麦吉(Michael McGehee)说，“在过去两年中，在寻找改善钙钛矿太阳能电池的表面处理方面取得了很大进展。许多研究都是经验性的，其背后的机制并没有被完全理解。我们这项详细的研究表明，处理不仅可以钝化缺陷，而且还可以创建一个表面场，排斥应该在设备的另一侧收集的载流子。这种理解可能有助于进一步改进界面。”

这项工作得到了塔塔信托基金（MIT-Tata GridEdge Solar Research Program, which is funded by the Tata Trusts）、麻省理工学院士兵纳米技术研究所（MIT Institute for Soldier Nanotechnologie简称ISN grant W911NF-13-D-0001）、美国能源部(U.S. Department of Energy简称DOE)、能源效率和可再生能源办公室(Office of Energy Efficiency and Renewable Energy简称EERE award number DE-EE0009512)、美国国家科学基金会（U.S. National Science Foundation awards NNCI-2025489, NNCI-1542101)、美国国家科学基金会研究生研究奖学金（U.S. National Science Foundation Graduate Research Fellowship under grant number 1122374）；迈斯沃克工程奖学金（MathWorks Engineering Fellowship）、怡和基金会（Jardine Foundation）、剑桥信托基金（Cambridge Trust for a doctoral scholarship）、韩国化学技术研究院{ Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), South Korea (KS2022-10)}、韩国能源技术评价与规划研究院(Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning简称KETEP)、韩国贸易工业和能源部(Ministry of Trade Industry and Energy简称MOTIE of the Republic of Korea number 20183010014470) 、韩国教育部和研究基金会（Ministry of Education and National Research Foundation of Korea）以及韩国国家研究基金会{ National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea government (MSIT) (RS-2023-00220748)}的资助。

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Abstract

The ability to reduce energy loss at semiconductor surfaces through passivation or surface field engineering is an essential step in the manufacturing of efficient photovoltaic (PV) and optoelectronic devices. Similarly, surface modification of emerging halide perovskites with quasi-two-dimensional (2D) heterostructures is now ubiquitous to achieve PV power conversion efficiencies (PCEs) >25%, yet a fundamental understanding to how these treatments function is still generally lacking. Here we use a unique combination of depth-sensitive nanoscale characterization techniques to uncover a tunable passivation strategy and mechanism found in perovskite PV devices that were the first to reach the >25% PCE milestone. Namely, treatment with hexylammonium bromide leads to the simultaneous formation of an iodide-rich 2D layer along with a Br halide gradient that extends from defective surfaces and grain boundaries into the bulk three-dimensional (3D) layer. This interface can be optimized to extend the charge carrier lifetime to record values >30 μs and to reduce interfacial recombination velocities to values as low as <7 cm s⁻¹.