科学家揭开钙钛矿太阳能电池“效率缺陷”之谜

  由剑桥大学、冲绳科技大学研究生院（OIST）的科学家共同领导的多机构合作近日获得突破性成果，他们发现了导致下一代太阳能电池和柔性LED潜在材料——钙钛矿中出现“效率缺陷”的根源。

  在过去的十年中，钙钛矿这种具有特定晶体结构的多种材料，慢慢的变成了硅太阳能电池的有前途的替代品，因为它们制造起来更便宜、更环保，同时达到了可比的效率水平。

  然而，钙钛矿材料制作的太阳能电池，往往会出现非常明显的性能损失和不稳定性。迄今为止，大多数研究都集中在消除这一些损失的方法上，但是它们的实际物理原因仍然未知。

  日前《自然》（Nature）杂志上发表的一篇论文中，来自剑桥大学化学工程与生物技术系和卡文迪许实验室的Sam Stranks博士小组的研究人员以及日本OIST的Keshav Dani教授的飞秒光谱学部门的研究人员确定了问题的根源。他们的发现可以简化提高钙钛矿应用效率的努力，使它们更接近面向大众市场的生产。

  通常而言，当光照射到钙钛矿太阳能电池上或电通过钙钛矿LED时，电子被激发并跃迁到更高的能量状态。带负电的电子留在被称为空穴的空间后面，然后该空间具有相对正的电荷。激发的电子和空穴都能移动穿过钙钛矿材料，因此充当电荷载流子。

  但是在钙钛矿中，会发生某种类型的缺陷，此时通电的载流子会被卡住。被俘获的电子和空穴重新结合，将其能量损失变热，而不是将其转化为有用的电或光，这大幅度的降低了太阳能电池板和LED的效率和稳定性。

  到目前为止，人们对这些“陷阱”的成因知之甚少，部分原因是它们的行为似乎与传统太阳能电池材料中的缺陷截然不同。

  2015年，Stranks博士的小组曾在《科学》上发表了一篇论文，研究了钙钛矿的发光，揭示了钙钛矿在吸收或发射光方面的表现。他们发现材料非常异质。Stranks博士描述称：“有很大的区域是明亮和发光的，而其他区域其实就是黑暗的。这些黑暗的区域与太阳能电池或LED的功率损耗相对应。但是造成功率损耗的原因始终是个谜，特别是因为钙钛矿对缺陷的耐受性很高。”

  由于标准成像技术的局限性，当时研究团队无法分辨出较暗的区域是由一个大的陷阱位点还是许多较小的陷阱引起的，因此很难确定为什么它们仅在某些区域形成。到了2017年晚些时候，OIST的Dani教授的团队在《自然·纳米技术》上发表了一篇论文，在那里他们拍摄了一组图像，呈现了电子在吸收光后在半导体中的表现。Dani教授称：“通过观察光照射后电荷在材料或设备中的移动方式，我们大家可以发现很多东西。例如，您能够正常的看到电荷在哪里被捕获。”“但是，这些损耗很难以可视化的方式显示，因为它们移动非常快——-在十亿分之一秒的百万分之一的时间尺度上；并且在非常短的距离上，大约是十亿分之一米的长度尺度。

  于是Stranks博士团队和Dani教授团队形成了合作，看他们是不是能够共同解决钙钛矿中暗区的可视化问题。

  OIST的团队首次在钙钛矿上使用了一种称为光发射电子显微镜（PEEM）的技术，他们用紫外线探测该材料，并从发射的电子中形成图像。

  当他们查看材料时，他们发现黑暗区域包含“陷阱”，长度约10-100纳米，是由较小原子尺寸的陷阱位点组成的簇。这些陷阱簇不均匀地分布在整个钙钛矿材料中，这解释了Stranks博士早期研究中发现的不均匀发光现象。

  有趣的是，当研究人员将陷阱位置的图像叠加到显示钙钛矿材料晶粒的图像上时，他们发现陷阱簇仅在特定位置形成，位于某些晶粒之间的边界处。

  为了理解为什么仅在某些晶界发生这种现象，研究小组与剑桥大学材料科学与冶金学系的Paul Midgley教授的团队合作，后者使用一种称为扫描电子衍射（scanning electron diffraction）的技术来创建钙钛矿晶体结构的详细图像。Midgley教授的团队利用了钻石光源同步加速器的ePSIC设施中的电子显微镜设置，该设施具有用于对射线敏感材料（例如钙钛矿）成像的专用设备。

  “由于这些材料对光束非常敏感，因此您能够正常的使用典型的技术在这些长度尺度上探测局部晶体结构，从而在查看时迅速改变材料，” Stranks博士的Tiarnan Doherty解释说。研究小组和共同主要作者。“相反，我们也可以使用非常低的暴露剂量，因此能防止伤害。”

  “通过OIST的工作，我们大家都知道了陷阱簇的位置，在ePSIC上，我们在同一区域周围进行了扫描以查看局部结构。我们也可以快速查明陷阱位置周围晶体结构的意外变化。”

  该小组发现，陷阱簇仅在结点处形成，结点处材料的结构略有变形，而结点处的区域则为原始结构。

  斯特兰克斯博士说：“钙钛矿中，我们有这些规则的镶嵌材料，大多数的晶粒又优质又原始，这是我们期望的结构。” “但是每隔一段时间，您会得到一个略微扭曲的颗粒，并且该颗粒的化学性质是不均匀的。真正有趣的是，最初使我们感到困惑的是，不是扭曲的颗粒才是陷阱，而是当那个颗粒遇到一个原始颗粒；陷阱就在那个结点形成。”

  基于对这种“陷阱”性质的了解，OIST的团队还使用了定制的PEEM仪器来可视化钙钛矿材料中发生的电荷载流子陷阱过程的动力学。PEEM装置的独特功能之一是，它可以对超快的过程进行成像——短至飞秒，随后，研究人员发现俘获过程主要由扩散到陷阱簇的电荷载流子控制。

  这些发现代表了将钙钛矿带入太阳能市场的重大突破。“我们仍就不知道为啥陷阱会聚集在那儿，但是现在我们大家都知道它们确实是在那儿形成的，而且只有在那儿。” “这令人兴奋，因为这在某种程度上预示着我们现在知道要针对什么来提高钙钛矿的性能。我们应该针对那些不均匀的相或以某种方式摆脱这些结合。”

  团队的研究集中在一种特定的钙钛矿结构上。现在，科学家将调查这些陷阱簇的原因是否在所有钙钛矿材料中都普遍存在。

  特别声明：北极星转载其他网站内容，出于传递更加多信息而非盈利之目的，同时并不意味着赞成其观点或证实其描述，内容仅供参考。版权属于原本的作者所有，若有侵权，请联系我们删除。

  11月19日，晶澳科技石家庄基地隆重举行10GW切片及10GW电池项目投产仪式。晶澳科技董事长靳保芳及部分高管，石家庄市委副书记、市长马宇骏及市区有关领导，战略客户和金融机构负责人出席仪式。石家庄市委副书记、市长马宇骏宣布项目投产靳保芳董事长致辞靳保芳董事长在致辞中表示，石家庄项目是晶澳在河

  从宜宾发布官微获悉，连日来，四川泰川年产7GW太阳能电池片项目生产车间内，机器正满负荷运转，全力以赴赶制订单。该经开区的另一光伏产业项目——宜宾智慧电谷年产20万只石英坩埚项目，目前已完成第一批成品坩埚出炉，实现了项目从开工到逐步投产。预计今年底该项目能够达到6条坩埚生产线，力争到明年

  近日，工信部发布了2023年50个建材工业智能制造数字转型典型案例，瑞昌中建材光电材料有限公司的“年产100兆瓦确化铜发电玻璃光伏建筑一体化智能生产线案例、蚌埠凯盛工程技术有限公司的“薄膜太阳能电池智能传输解决方案”案例成功入选该名单。原文如下：近日，经地方工业和信息化主管部门及中央企业

  11月1日上午，新瑞光电10GW高效电池、鹏飞新能源20GW硅片、美霖新材料50GW金刚线项目集中投产暨新霖飞集团总部大楼正式启用仪式隆重举行。新霖飞集团起源于2008年，至今已深耕光伏新能源领域十多年，在江苏省扬州市、高邮市、宿迁、江阴等地建成9个生产基地，投资新瑞光电、中环半导体、新霖飞（扬州）

  10月30日，阿特斯发布了重要的公告称，依据公司全球战略发展和海外产能规划需要，为逐渐增强公司成品组件在美国市场的竞争力，提升公司产品市场占有率，公司计划在美国组件产能投资的基础上，持续布局海外N型电池片产能，启动美国阿特斯年产5GW高效N型电池片项目计划，项目总投资额约为8.39亿美元，预计将于2

  据上海海关25日发布的统计数据，今年前三季度上海市进出口总值创历史同期新高，达3.17万亿元(人民币，下同)，较2022年同期(下同)增长2.7%，其中，出口1.3万亿元，增长3.9%；进口1.87万亿元，增长1.8%；贸易逆差5687.1亿元，收窄2.6%。前三季度，上海市内资企业进出口1.29万亿元，增长9.1%，较进出口整

  10月25日，江苏润达光伏股份有限公司发布对外投资设立全资子公司的公告。公告称，为全面落实企业未来的发展战略，进一步优化公司经营结构，明确公司各子公司的职能，公司拟设立全资子公司江苏润达光伏销售有限公司(暂定名，以工商核准的名称为准)，负责公司的进出口业务及部分国内销售。全资子公司注册资本为

  10月20日，贵州省工信厅印发《关于加快建设贵州新能源电池及材料研发生产基地的实施建议（征求意见稿）》。《意见》提出，。把促进新能源发展放在更突出的位置，加快智能光伏创新突破，发展高纯硅料、大尺寸硅片技术，支持高效低成本晶硅电池生产，推动N型高效电池、柔性薄膜电池、钙钛矿及叠层电池

  三一硅能首片TOPCon太阳能电池下线GW株洲基地生产的首片TOPCon太阳能电池下线，其电池量产转换效率和组件功率均处于行业领先水平。据悉，三一硅能5GW株洲基地位于石峰区清水塘产业新城，项目总投资约30亿元，建成达产后预计年产值约50亿元。该基地的TOPCon太阳能电池项目，高度契合国家“双碳”战略和未来产业发展变

  10月20日，华东重机发布了重要的公告称，公司同意将广东润星科技有限公司（以下简称“润星科技”）100%股权在深圳联合产权交易所进行第三次公开挂牌转让并将挂牌价格下调至7亿元。公告表示，若公司在深圳联合产权交易所公开挂牌期间未能征集到意向受让方的，华东重机持股5%以上股东周文元所控制的广东元元科技

  近日，美国太阳能公司Suniva宣布计划重启位于佐治亚州诺克罗斯的太阳能电池工厂，重启的第一阶段将从2024年春季开始，工厂的年产能将提高至1GW。Suniva表示，第二阶段可将工厂逐步扩大至2.5GW。目前，Suniva已经从纽约投资基金OrionInfrastructureCapital（OIC）获得了1.1亿美元的融资承诺，用于扩大

  钙钛矿太阳能电池（PSCs）因廉价的材料成本、易于制备大面积器件以及较高的光电转换效率等优点而非常关注。SnO2具有高透过率、高电子迁移率、适宜的能级、良好的紫外辐照稳定性和易于低温加工等特点，是目前n-i-p型PSCs电池常用的电子传输材料。然而，它的体相和表面的缺陷【氧空位（VO）、悬空羟基（-

  3月17日，科学技术部高技术研究发展中心（科学技术部基础研究管理中心）发布了2022年度中国科学十大进展，分别为：祝融号巡视雷达揭秘火星乌托邦平原浅表分层结构；FAST精细刻画活跃重复快速射电暴；全新原理实现海水直接电解制氢；揭示新冠病毒突变特征与免疫逃逸机制；实现高效率的全钙钛矿叠层太阳

  日期，MeyerBurger与瑞士电子和微技术中心（CSEM）签署了一项合作协议，拟开发串联钙钛矿太阳能电池技术。梅耶博格研发负责人MarcelKnig表示：“凭借悠久的专有开发传统，梅耶博格拥有广泛的工艺、技术和生产技术组合，可用于内部串联太阳能电池和组件的潜在大规模生产。这包括硅基钙钛矿串联太阳能电

  浙江苍南县：重点支持钙钛矿、TOPCon电池、HJT电池等太阳能电池研发

  11月4日，苍南县人民政府印发苍南县科技发展“十四五”规划的通知，通知指出，针对光伏产业上游单晶硅、多晶硅、银浆、基膜材料，中游光伏玻璃、背板、电池片，下游光电储存、上网与并网光伏系统建设的链条特点，重点支持钙钛矿、TOPCon电池、HJT电池等低成本、高效率、长寿命太阳能电池研发；支持高导

  近日，总投资15亿元、总产出超50亿元的仁烁光能新一代高效光伏电池系列项目签约落户江苏省常熟经开区。据了解，仁烁光能由南京大学谭海仁教授团队创建，成立于2021年12月，是一家全钙钛矿叠层太阳能电池研发商，今年8月仁烁光能宣布完成A轮数亿元融资，A轮融资由三行资本领投，中科创星、苏高新创投、

  总投资超1.2亿元 合肥帝品数码拟建年产40万平方钙钛矿薄膜太阳能电池项目

  北极星太阳能光伏网获悉，9月4日，安徽省合肥市长丰县发改委发布《2022年度8月份企业投资项目备案》信息，其中包含“年产40万平方钙钛矿薄膜太阳能电池项目”，该项目项目单位为合肥帝品数码科技有限公司，项目位于长丰县岗集镇，占地约58亩，项目利用及改造现有生产设备，同时增加购置新的生产设备，

  近日，在第34届国际光伏科学与工程会议（PVSEC-34）暨20届中国光伏学术大会上，隆基绿能首席科学家、中央研究院副院长徐希翔博士，成为本届大会PVSECAward两位获奖者之一。国际光伏科学与工程会议（PVSEC）是由国际光伏顾问委员会于1984年发起创办的国际性著名的光伏学术会议，涉及光伏科技、市场研究

  一则“百万年薪招人”的消息，引起小编关注。钙钛矿企业仁烁光能为招募优秀专家，开出了60-120万的年薪范围，同时还有股权激励，并协助员工申报苏州各类科技及人才项目，成功后可获得最高100-300万的安家补贴，以及100-500万的项目研究经费。2023年以来，有关钙钛矿为争夺人才而开出高薪的新闻屡见报端

  近日，经权威第三方检测认证机构TV南德认证，华晟喜马拉雅G12-132版型异质结组件功率达到了744.43W，转换效率23.96%，创造了光伏异质结组件功率和效率的新纪录。自成立以来，华晟异质结电池和组件的效率、功率屡创新高，显示出公司聚焦技术创新、推进产业进步的坚定决心和强劲的研发实力，也进一步验证

  TOPCon电池（PE-poly路线）量产平均转换效率突破26%！近日，随着SE激光掺杂技术的叠加应用，大恒能源TOPCon电池量产平均转化效率已达26.05%，再次刷新行业纪录，达到行业领先水平，尽显“大恒速度”。23天完成爬坡，大恒能源TOPCon（PE-poly）技术成行业焦点今年6月9日，大恒能源与捷佳伟创发布联合公

  从捷佳伟创官网获悉，近日，捷佳伟创常州HJT中试线成功研发出具有行业领先水平的射频(RF)微晶P工艺，微晶P薄膜沉积速率超过2埃/秒，同时晶化率稳定在50%以上。常州中试线BB异质结电池平均效率达到25.1%（德国ISFH（哈梅林）标准），电池良品率稳定在98%以上。射频(RF)微晶P的高

  钙钛矿太阳能电池（PSCs）因廉价的材料成本、易于制备大面积器件以及较高的光电转换效率等优点而非常关注。SnO2具有高透过率、高电子迁移率、适宜的能级、良好的紫外辐照稳定性和易于低温加工等特点，是目前n-i-p型PSCs电池常用的电子传输材料。然而，它的体相和表面的缺陷【氧空位（VO）、悬空羟基（-

  日前，牛津光伏公司的大型钙钛矿硅串联电池效率达到28.6%，刷新了世界纪录。这一测量结果得到了德国FraunhoferISE的证实。提高采用工业兼容技术生产的、更大规模电池装置的效率是实现该技术商业化的关键一步。牛津光伏公司首席技术官ChrisCase表示：“我们最近达到了28.6%的效率水平，这比去年创下的纪

  20.3%、17.25%！凯盛科技生产的CIGS组件和碲化镉发电玻璃刷新纪录

  据中国洛玻集团官微消息，5月11日，美国国家可再次生产的能源实验室（NREL）独立证实，凯盛科技集团旗下中建材玻璃新材料研究总院所属德国Avancis公司生产的30x30平方厘米铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池组件的光电转换效率达到20.3%，再次刷新世界纪录。2021年2月24日，经美国国家可再次生产的能源实验室（NREL）测试

  隆基绿能26.81%效率世界纪录研究成果在《Nature Energy》上发表

  近日，隆基绿能自主研发的晶硅异质结电池创新技术探讨研究成果，在世界顶级材料科学领域学术期刊《NatureEnergy》上发表。虽然该新型电池所需材料95%与当前已有的晶硅电池相同，但其效率更加高，达到26.81%，是目前全球所有技术路线晶硅太阳能电池效率的最高纪录。《NatureEnergy》杂志于2016年由Nature出版