多伦多大学应用科学与工程学院的一组研究人员，他们最近利用了量子力学优化了一种被称为倒置钙钛矿太阳能电池的设备中的活性层。这项技术有朝一日可能会产生能大规模市场化的太阳能电池，它在目前的市场上只占据了一小部分的份额。

目前，几乎所有商业太阳能电池都是由高纯度的硅制成的，它的生产需要大量的能源。但世界各地的研究人员正在试验一些替代这种太阳能的技术，这些新技术可以以更少的能源和更低的成本来制造和安装。

新能源企业萨金特集团的实验室正在研究的这些替代品之一是一种被称为钙钛矿的材料。钙钛矿材料的力量来自于其独特的晶体结构，这使它们能够在非常薄的层中吸收光并将其有效地转化为电能。

他们在《自然·光子学》杂志上发表了一篇该研究的相关论文。论文主要作者、萨金特实验室的博士后研究员、四位合作者之一的Hao Chen说：“钙钛矿晶体由液体油墨制成，并使用了行业中已经成熟的技术(例如卷对卷印刷)将其涂覆在表面上。”

他接着说：“正因为如此，钙钛矿太阳能电池有可能以比硅低得多的能源成本进行大规模生产。但挑战在于，目前钙钛矿太阳能电池的稳定性落后于传统的硅电池。在这项研究中，我们旨在缩小这一差距。”

Chen和该论文其他三位主要作者正在使用基于倒置太阳能电池结构的策略。这三位作者分别是：博士候选人Sam Teale和博士后研究员Bin Chen和Yi Hou。

在大多数钙钛矿太阳能原型电池中，电子是通过电池底层的负极离开电池，而它们留下的“空穴”则是通过顶部的正极离开。颠倒的这种安排可以使用一些替代制造技术，过去的研究表明，这种设计可以提高钙钛矿层的稳定性。但这种变化是以性能为代价的。

Chen说：“钙钛矿层和顶部电极之间很难获得良好的接触。为了解决这个问题，研究人员通常会插入一个由有机分子制成的钝化层。这在传统的方法上是效果很好的，因为‘空穴’可以直接穿过这个钝化层。但是电子被这个层阻挡，所以当你反转电池时，它会成为一个大问题。”

该研究团队通过利用量子力学克服了这一限制。他们在非常小的长度尺度上描述了材料行为的物理原理与在较大长度尺度上观察到的不同。

Teale说：“在我们的太阳能电池原型中，钙钛矿被限制在极薄的一层，而且它只有一到三个晶体的高度。这种二维形状使我们能够访问与量子力学相关的特性。例如，我们可以控制钙钛矿吸收的光波长或者电子在层内的移动方式。”

该团队首先使用其他小组已建立的化学技术在他们的太阳能电池顶部产生了二维钙钛矿表面。这使钙钛矿层能够自行实现钝化，而且完全不需要有机层。

为了克服电子阻挡效应，该团队将钙钛矿层的厚度从一个晶体的高度增加到了三个。计算机的模拟数据表明，这种变化将充分改变能量格局，使电子能够逃逸到外部电路中。这一预测他们也在实验室中得到了证实。

该团队电池的功率转换效率测得为23.9%，在室温下运行1000小时后该水平仍没有下降。他们发现，即使在高达65℃的温度下进行行业标准的加速老化过程，使用500多个小时后性能也仅下降8%。

他们未来的工作将集中在进一步提高电池的稳定性，包括在更高的温度下运行。该团队还希望建造表面积更大的电池，因为目前的电池只有大约5平方毫米大小。尽管如此，目前的结果对于这种替代太阳能技术的未来来说是个好兆头。

Teale说：“在我们的论文中，我们将我们的原型电池与最近发表在科学文献中的传统电池和倒置钙钛矿太阳能电池进行了比较。我们实现的高稳定性和高效率的结合非常突出。我们还应该记住，钙钛矿技术只有几十年的历史，而硅已经研究了70年。这意味着钙钛矿技术还有很多改进的空间。”（编译:Qtech）