下一代太陽能電池和柔性LED潛在材料的鈣鈦礦效率缺陷的解決方法

下一代太陽能電池和柔性LED潛在材料的鈣鈦礦效率缺陷的解決方法

佚名 發表於 2020-04-17 17:35:35

4月17日消息，由劍橋大學、衝繩科技大學研究生院（OIST）的科學家共同領導的多機構合作近日獲得突破性成果，他們發現了導致下一代太陽能電池和柔性LED潛在材料——鈣鈦礦中出現「效率缺陷」的根源。

現在，全世界每個人都應該同意，就滿足人類對能源的需求而言，可再生能源是前進的唯一途徑。但是，談到各種更環保的電源替代方案時，每個方案確實都有其自身的局限性。

風能的風速波動很大，在一天中的大部分時間內都不可靠;可以建造水壩發電，但對生態環保有很多影響;陽光是免費的，而且非常環保，難道太陽能發電就沒有局限性了嘛？更其他再生能源一樣，太陽能發電也有其局限性，迄今為止記錄到的市售太陽能電池的最大效率為33.7%。這一直是太陽能行業面臨的最大挑戰之一，但是為什麼太陽能電池板的效率如此低呢？ 我們很快就會得到答案，但是首先，了解太陽能電池到底是什麼很重要。

在過去的十年中，鈣鈦礦這種具有特定晶體結構的多種材料，已經成為矽太陽能電池的有前途的替代品，因為它們製造起來更便宜、更環保，同時達到了可比的效率水平。

然而，鈣鈦礦材料製作的太陽能電池，往往會出現明顯的性能損失和不穩定性。迄今為止，大多數研究都集中在消除這些損失的方法上，但是它們的實際物理原因仍然未知。

日前《自然》（Nature）雜誌上發表的一篇論文中，來自劍橋大學化學工程與生物技術系和卡文迪許實驗室的Sam Stranks博士小組的研究人員以及日本OIST的Keshav Dani教授的飛秒光譜學部門的研究人員確定了問題的根源。他們的發現可以簡化提高鈣鈦礦應用效率的努力，使它們更接近面向大眾市場的生產。

通常而言，當光照射到鈣鈦礦太陽能電池上或電通過鈣鈦礦LED時，電子被激發並躍遷到更高的能量狀態。帶負電的電子留在被稱為空穴的空間後面，然後該空間具有相對正的電荷。激發的電子和空穴都可以移動穿過鈣鈦礦材料，因此充當電荷載流子。

但是在鈣鈦礦中，會發生某種類型的缺陷，此時通電的載流子會被卡住。被俘獲的電子和空穴重新結合，將其能量損失變熱，而不是將其轉化為有用的電或光，這大大降低了太陽能電池板和LED的效率和穩定性。

到目前為止，人們對這些「陷阱」的成因知之甚少，部分原因是它們的行為似乎與傳統太陽能電池材料中的缺陷截然不同。

2015年，Stranks博士的小組曾在《科學》上發表了一篇論文，研究了鈣鈦礦的發光，揭示了鈣鈦礦在吸收或發射光方面的表現。他們發現材料非常異質。Stranks博士描述稱：「有很大的區域是明亮和發光的，而其他區域實際上是黑暗的。這些黑暗的區域與太陽能電池或LED的功率損耗相對應。但是造成功率損耗的原因始終是個謎，特別是因為鈣鈦礦對缺陷的耐受性很高。」

由於標準成像技術的局限性，當時研究團隊無法分辨出較暗的區域是由一個大的陷阱位點還是許多較小的陷阱引起的，因此很難確定為什麼它們僅在某些區域形成。到了2017年晚些時候，OIST的Dani教授的團隊在《自然·納米技術》上發表了一篇論文，在那裡他們拍攝了一組圖像，呈現了電子在吸收光後在半導體中的表現。Dani教授稱：「通過觀察光照射後電荷在材料或設備中的移動方式，我們可以發現很多東西。例如，您可以看到電荷在哪裡被捕獲。」「但是，這些損耗很難以可視化的方式顯示，因為它們移動非常快——-在十億分之一秒的百萬分之一的時間尺度上；並且在非常短的距離上，大約是十億分之一米的長度尺度。

於是Stranks博士團隊和Dani教授團隊形成了合作，看他們是否可以共同解決鈣鈦礦中暗區的可視化問題。

OIST的團隊首次在鈣鈦礦上使用了一種稱為光發射電子顯微鏡（PEEM）的技術，他們用紫外線探測該材料，並從發射的電子中形成圖像。

當他們查看材料時，他們發現黑暗區域包含「陷阱」，長度約10-100納米，是由較小原子尺寸的陷阱位點組成的簇。這些陷阱簇不均勻地分布在整個鈣鈦礦材料中，這解釋了Stranks博士早期研究中發現的不均勻發光現象。

有趣的是，當研究人員將陷阱位置的圖像疊加到顯示鈣鈦礦材料晶粒的圖像上時，他們發現陷阱簇僅在特定位置形成，位於某些晶粒之間的邊界處。

為了理解為什麼僅在某些晶界發生這種現象，研究小組與劍橋大學材料科學與冶金學系的Paul Midgley教授的團隊合作，後者使用一種稱為掃描電子衍射（scanning electron diffraction）的技術來創建鈣鈦礦晶體結構的詳細圖像。Midgley教授的團隊利用了鑽石光源同步加速器的ePSIC設施中的電子顯微鏡設置，該設施具有用於對射線敏感材料（例如鈣鈦礦）成像的專用設備。

「由於這些材料對光束非常敏感，因此您可以使用典型的技術在這些長度尺度上探測局部晶體結構，從而在查看時迅速改變材料，」 Stranks博士的Tiarnan Doherty解釋說。研究小組和共同主要作者。「相反，我們能夠使用非常低的暴露劑量，因此可以防止傷害。」

「通過OIST的工作，我們知道了陷阱簇的位置，在ePSIC上，我們在同一區域周圍進行了掃描以查看局部結構。我們能夠快速查明陷阱位置周圍晶體結構的意外變化。」

該小組發現，陷阱簇僅在結點處形成，結點處材料的結構略有變形，而結點處的區域則為原始結構。

斯特蘭克斯博士說：「鈣鈦礦中，我們有這些規則的鑲嵌材料，大多數的晶粒又優質又原始，這是我們期望的結構。」 「但是每隔一段時間，您會得到一個略微扭曲的顆粒，並且該顆粒的化學性質是不均勻的。真正有趣的是，最初使我們感到困惑的是，不是扭曲的顆粒才是陷阱，而是當那個顆粒遇到一個原始顆粒；陷阱就在那個結點形成。」

基於對這種「陷阱」性質的了解，OIST的團隊還使用了定製的PEEM儀器來可視化鈣鈦礦材料中發生的電荷載流子陷阱過程的動力學。PEEM裝置的獨特功能之一是，它可以對超快的過程進行成像——短至飛秒，隨後，研究人員發現俘獲過程主要由擴散到陷阱簇的電荷載流子控制。

這些發現代表了將鈣鈦礦帶入太陽能市場的重大突破。「我們仍然不知道為什麼陷阱會聚集在那兒，但是現在我們知道它們確實是在那兒形成的，而且只有在那兒。」 「這令人興奮，因為這意味著我們現在知道要針對什麼來提高鈣鈦礦的性能。我們需要針對那些不均勻的相或以某種方式擺脫這些結合。」

團隊的研究集中在一種特定的鈣鈦礦結構上。現在，科學家將調查這些陷阱簇的原因是否在所有鈣鈦礦材料中都普遍存在。

延伸閱讀：

什麼是太陽能電池？

太陽能電池是一種以直射陽光的形式捕獲太陽能量並將其轉換為電能的設備。太陽能電池也稱為光伏電池，這意味著它將存在於光中的光子轉換為電壓差（這實際上是指「電能」）。要了解太陽能電池的局限性，我們必須仔細研究其構造。

太陽能電池是使用p型和n型矽晶圓製成的。p型矽晶片由更多的孔組成，這意味著它缺少電子，而n型晶片具有過量的電子。兩者接觸的界面稱為結（更準確地說是PN結）。PN結是太陽能電池的主要組成部分。

我們所說的太陽能電池效率是什麼意思？

我們使用的每個設備都具有一定的效率。考慮一臺每小時可生產10個氣球的機器。在這十個氣球中，有兩個氣球有孔或其他類型的缺陷。這意味著該機器的效率為80%，因為該機器吸收了生產10個氣球所需的原材料，但僅將其中的80%轉換為有用的輸出。因此，設備的效率代表了提供給它的每單位輸入所產生的有用輸出量。

類似地，太陽能電池上的入射輻射不會完全轉換為電能。只能獲取該能量的一小部分（如我們已經看到的小得多）作為有用的工作。有許多不同的衡量太陽能電池效率的方法，但最普遍的方法是肖克利-奎塞爾極限。

什麼是肖克利-奎塞爾極限？

肖克利-奎塞爾極限（通常稱為SQ極限）是提高太陽能電池效率的最重要科學手段。它測量標準測試條件（STC）下單個PN結太陽能電池的理論效率。STC近似於美國大陸春季和秋季春分時的太陽正午，太陽能電池的表面直接對準太陽（太陽能效率極限）。

該限制是在某些假設下測得的，太陽能電池必須僅由一種均質材料製成，每個太陽能電池只能有一個p-n結，並且假定每個能量大於帶隙的光子都將轉換為電能。如果您不了解光子或帶隙的含義，請不要擔心，我們將在下面進行討論。

為什麼效率受到限制？

使用太陽能電池發電的過程主要取決於一個非常重要的步驟。電子從價帶（太陽能電池的PN結）躍遷到導帶（外部電路，例如電池）。供您參考，正常原子中沒有外部能量的電子被稱為在價帶中。為了產生電，這些電子必須轉移到外部電路，這被稱為導帶。

電子本身不會從價帶躍遷到導帶。 必須提供一定量的能量（稱為帶隙），以使它們進行過渡。

現在，入射的太陽輻射由許多不同波長的波組成，如上面的光譜所示。左側的長波最弱（能量較少），而右側的短波更強大。因此，這些波中只有少數具有必要的能量來克服能壘。

讓我們看一個例子，以更好地了解上述過程。考慮一包由100個不同波長的光子組成的光子（光子）撞擊由矽製成的太陽能電池。在這100個波中，有40個波具有相當於矽帶隙的能量，因此將能夠發電。其餘的波將作為熱量消散或從電池表面反射回來。因此，太陽能電池的效率受到限制。

還有其他影響效率的因素嗎？

正如我們所看到的，電子躍遷的閾值能壘原來是太陽能電池板效率低的主要原因。但是，它不是影響它的唯一因素。還有許多其他元素在這裡起著相當重要的作用。

圖註：臭氧層阻止高能紫外線到達地表。

離開太陽的能量與我們在地球上接收到的能量不同。這是因為輻射必須穿過包圍我們星球的濃厚大氣傳播。現在，諸如光的散射和折射之類的不同現象降低了其強度。臭氧層會阻止有害的紫外線輻射到達我們（這些波對我們有害，因為它們擁有更多的能量，因此會損壞我們的眼睛細胞）。 然而，這些是能夠越過閾值能量的波，但卻稀疏地到達表面，從而再次導致太陽能電池板的效率降低。

有什麼解決辦法嗎？

即使目前我們可以買到的大多數商用太陽能電池的轉換率都無法超過33%的標準，但未來的前景似乎一片光明。劍橋大學致力於鈣鈦礦材料用於柔性LED和下一代太陽能電池的研究人員發現，當它們的化學成分順序較少（從本文範圍外的東西）時，它們的效率會更高，從而大大簡化了生產生產過程，並且降低成本。

同樣，世界各地的科學家一直在研究更新的材料，例如氮化鎵，鍺，磷化銦等。許多人認為，這些材料將通過改變多結太陽能電池的帶隙極限，有效地利用整個太陽光譜將其轉化為電能。總而言之，太陽能行業的未來確實是光明的。

責任編輯：gt

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