华人科学家可以将钙钛矿太阳能电池效率提高多达250％

华人科学家可以将钙钛矿太阳能电池效率提高多达250％

罗切斯特大学的华人科学家���出了一种构建钙钛矿太阳能电池的新方法

在钙钛矿下涂上一层金属可以将半导体材料的光转换效率提高多达250%

研究人员正在竞相寻找新的、更稳定的钙钛矿材料

美国罗切斯特大学的一个研究小组提出了一种新颖的、基于物理学的方法，该方法使用一层金属的基板或金属和介电材料的交替层用于钙钛矿基太阳能电池。 研究人员通常在潮湿的实验室中合成钙钛矿，然后将材料作为薄膜应用于玻璃基板上并探索各种应用。

他们报告的研究结果已发表在《Nature Photonics》上。

硅是用于许多应用的标准半导体材料 - 计算机中央处理器（CPU），存储器和半导体芯片，探测器。也是一种太阳能电池的丰富天然材料。然而，开采和净化的成本很高。

钙钛矿 - 一系列因其晶体结构而昵称的材料 - 近年来显示出非凡的前景，作为太阳能电池和探测器中硅的更便宜，成为同样有效的替代品。

由罗切斯特大学光学教授郭春雷领导的研究表明，钙钛矿可能会变得更加高效。

相反，郭提出了一种新的、基于物理学的方法。通过使用一层金属或金属和介电材料交替层（而不是玻璃）的基板，他和他的合著者发现他们可以将钙钛矿的光转换效率提高250%。

郭实验室的这张插图显示了钙钛矿材料（青色）和金属介电材料基板之间的相互作用。红色和蓝色配对是电子-空穴对。从基板反射的镜像降低了钙钛矿中激发的电子与其原子核重新结合的能力，从而提高了钙钛矿收集太阳光的效率。

郭指出，在钙钛矿中没有其他人得出过这种观察结果。突然之间，他们可以在钙钛矿下放置一个金属平台，彻底改变钙钛矿内电子的相互作用。因此，他们使用物理方法来设计这种相互作用。

新颖的钙钛矿-金属组合创造了“许多令人惊讶的物理学”

金属可能是自然界中*简单的材料，但它们可以制成以获得复杂的功能。郭实验室在这一领域拥有丰富的经验。该实验室开创了一系列技术，将简单金属转化为漆黑、超亲水（吸水）或超疏水（憎水）。在他们*近的研究中，增强的金属已用于太阳能吸收和水净化。

在这篇新论文中，Guo实验室没有提出一种增强金属本身的方法，而是展示了如何使用金属来提高钛矿的效率。

一块金属可以做与湿实验室中复杂的化学工程一样多的工作，这项新研究可能对未来的太阳能收集特别有用。

郭解释说，在太阳能电池中，来自太阳光的光子需要与电子相互作用并激发电子，导致电子离开其原子核并产生电流。理想情况下，太阳能电池将使用弱材料将激发的电子拉回原子核并停止电流。

郭教授的实验室证明，通过将钙钛矿材料与金属层或由银（贵金属）和氧化铝（电介质）交替层组成的超材料基板相结合，可以在很大程度上防止这种复合。

结果是通过“许多令人惊讶的物理学”显着减少了电子复合。实际上，金属层充当镜子，它产生电子 - 空穴对的反向图像，削弱电子与空穴重新结合的能力。

该实验室能够使用一个简单的探测器来观察光转换效率提高250%。

在钙钛矿应用于实际应用之前，必须解决几个挑战，尤其是它们相对快速地降解的趋势。目前，研究人员正在竞相寻找新的、更稳定的钙钛矿材料。

合作者包括Kwang Jin Lee，Ran Wei，Jihua Zhang和Mohamed Elkabbash，他们都是郭教授实验室的现任和前任成员，以及中国长春光学，精密机械和物理研究所的Ye Wang，Wenchi Kong，Sandeep Kumar Chamoli，Tao Huang和Weili Yu。

罗切斯特大学光学教授郭春雷

随着这项研究得到测试和复制，这项工作获得了技术突破。钙钛矿刚刚获得的巨大的能量，它将可以用于今后更多的研究。