来自能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家发现了一个可能的秘密，即大大提高隐藏在结晶材料纳米级峰和谷中的钙钛矿太阳能电池的效率。

由具有钙钛矿矿物晶体结构的化合物制成的太阳能电池吸引了科学家的想象力。它们便宜且易于制造，如有机太阳能电池。更令人感兴趣的是，钙钛矿太阳能电池将光子转换为电能的效率比迄今为止任何其他材料的增长速度都快，从2009年的3%开始 - 当时研究人员首次开始探索材料的光伏能力 - 至今为22%。这是硅太阳能电池效率的关键。

现在，正如2016年7月4日在线发表在自然能源杂志上的报道，伯克利实验室的分子铸造厂和人工光合作用联合中心的科学家团队发现了钙钛矿太阳能电池的一个令人惊讶的特征，可用于甚至更高的效率，可能高达31%。

(相关资料图)

利用光电导原子力显微镜，科学家们在太阳能电池的有源层上绘制了与光伏效率相关的两个特性。这些地图显示出一个由长约200纳米的颗粒组成的凹凸不平的表面，每颗颗粒都有像宝石一样的多角度刻面。

出乎意料的是，科学家们发现了单个颗粒之间能量转换效率的巨大差异。他们发现在高效小平面附近表现不佳，一些方面接近材料的理论能量转换限制为31%。

尽管需要进行更多的研究，科学家们表示，这些表现最佳的方面可以保留高效太阳能电池的秘密。

“如果材料可以合成，只有非常有效的方面发展，那么我们可以看到钙钛矿太阳能电池的效率大幅上升，可能接近31%，”Molecular Foundry的博士后研究员Sibel Leblebici说。

Leblebici在Alexander Weber-Bargioni的实验室工作，他是描述这项研究的论文的相应作者。Ian Sharp，也是一位通讯作者，是人工光合作用联合中心的伯克利实验室科学家。伯克利实验室的其他科学家包括Linn Leppert，Francesca Toma和分子铸造厂主任Jeff Neaton。

团队合作

Leblebici正在寻找一个新项目时开始研究。“我认为钙钛矿是目前太阳能中最令人兴奋的事情，我真的很想知道它们是如何在纳米尺度上工作的，这种方法尚未得到广泛研究，”她说。

她没有必要去寻找材料。在过去的两年里，附近的人工光合作用联合中心的科学家们一直在制造钙钛矿基化合物的薄膜，并研究它们将太阳光和二氧化碳转化为有用的化学物质如燃料的能力。开关齿轮，他们创造了由甲基铵碘化铅组成的pervoskite太阳能电池。他们还分析了细胞在宏观上的表现。

科学家们还制作了第二组没有电极层的半电池。他们在一平方厘米的薄膜上装了八个这样的电池。这些薄膜在Molecular Foundry进行了分析，研究人员以10纳米的分辨率绘制了细胞的表面形貌。他们还绘制了与电池光伏效率相关的两个特性：光电流产生和开路电压。

这是使用与Park Systems合作开发的最先进的原子力显微镜技术进行的，该技术利用导电尖端扫描材料的​​表面。该方法还消除了尖端和样品之间的摩擦。这很重要，因为材料非常粗糙和柔软，摩擦会损坏尖端和样品，并导致光电流中的伪影。

惊喜发现可以带来更好的太阳能电池

得到的图显示了光电流产生的数量级差异，以及相同颗粒上的小平面之间的开路电压的0.6伏差异。此外，具有高光电流产生的小平面具有高开路电压，并且具有低光电流产生的小平面具有低开路电压。

“这是一个很大的惊喜。它首次表明钙钛矿太阳能电池具有与面相关的光伏效率，”Weber-Bargioni说。

Toma补充说：“这些结果为探索控制材料方面发展的新方法以大幅提高效率打开了大门。”

在实践中，小平面表现得像数十亿个微小的太阳能电池，它们全部并联连接。正如科学家们发现的那样，有些细胞运作得非常好，而其他细胞运作得非 在这种情况下，电流流向坏电池，降低了材料的整体性能。但是，如果材料可以被优化以便只有高效的小平面与电极接口，则可以消除由不良小平面引起的损失。

“这意味着，在宏观尺度上，材料的理论能量转换极限可能达到31%，”夏普说。

描述实验结果的理论模型预测，当用作LED时，这些方面也应该影响光的发射。Linn Leppert，Sebastian Reyes-Lillo和Jeff Neaton完成了这项特别的工作。

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