钙钛矿是一种具有优越光电性能的材料，可用于开发更经济实惠的光伏（pv）。虽然近年来工程师们能够显著提高钙钛矿太阳能电池的功率转换效率，但这些设备仍然不如传统的硅基太阳能电池稳定和可扩展。

　　剑桥大学、柏林亥姆霍兹中心

　　材料与能源有限公司和钻石光源公司的研究人员使用光学和x射线显微镜来更好地了解影响卤化物钙钛矿太阳能电池性能和退化的纳米级过程。

　　他们发表在《自然能源》杂志上的论文表明，组成、重组和电荷传输的微观变化会影响这些太阳能电池的性能和稳定性，同时也概述了减轻这些影响的方法。

　　“我们最近的工作集中在下一代太阳能电池中应用的卤化物钙钛矿太阳能电池上——这些材料在微观长度尺度上是高度无序的，”该论文的高级作者塞缪尔·d·斯特兰克斯告诉Tech Xplore。“在我们之前的工作中，我们证明了原子结构和化学成分的微观变化会影响钙钛矿薄膜的材料性能。”

　　完全由钙钛矿制成的太阳能电池不仅包含钙钛矿薄膜，还包含提取和传输电子和空穴的材料层。这些额外的层增加了太阳能电池的复杂性，因为它们也可能导致电流和电压的损失，从而对电池的整体性能产生不利影响。

　　该论文的另一位资深作者米格尔·阿纳亚（Miguel Anaya）说：“我们想通过开发一种多模态显微镜工具包来增强我们以前的专业知识，以探测电压和电流损失，以及它们与结构和化学变化的相互作用，在完整的、最先进的钙钛矿太阳能电池中。”他曾在剑桥大学工作，现在住在塞维利亚。

　　“我们的目标是了解这种微观的相互作用，以提高这些设备的性能和长期耐用性。”

　　显微镜工具包是由凯尔·弗洛纳（Kyle Frohna）和卡伦·乔西（Cullen Chosy）领导的研究小组开发的。作为他们最近研究的一部分，他们用来仔细检查钙钛矿太阳能电池的工具包包含了多种技术。这种广泛的方法可以大致分为光学显微镜和x射线显微镜技术。

　　Frohna解释说：“在光学方面，我们进行了高光谱发光显微镜，当光源（例如激光）照射材料时，它可以跟踪钙钛矿发出的光的颜色和强度。”

　　“仔细跟踪发出的荧光使我们能够跟踪太阳能电池中的微观电压损失。此外，我们还进行了电压相关发光显微镜，这使我们能够跟踪局部电荷传输和电流损失。”

　　另一方面，斯特兰克斯和他的同事使用的主要x射线显微镜技术被称为纳米x射线荧光。这是一种成像方法，使研究人员能够收集有关材料化学成分的更多信息。

　　该团队使用他们的综合显微镜工具包来研究各种钙钛矿太阳能电池。这使他们能够更好地了解这些电池的电流和电压损失是如何受到化学变化的影响的，以及他们关注的参数是如何在电池长时间运行后发生变化的。

　　“我们发现钙钛矿太阳能电池可以承受大量微观化学变化，这与硅等传统太阳能电池非常不同，”Chosy说。

　　“我们还表明，它们不能容忍电荷提取的变化。电流在显微镜下越混乱，太阳能电池的性能就越差——更惊人的是，随着时间的推移，这种混乱也会导致太阳能电池降解得更快。”

　　除了概述影响纳米级钙钛矿基太阳能电池性能和稳定性的因素外，研究人员还概述了有助于减少他们观察到的电流损失的方法。作为他们下一步研究的一部分，斯特兰克斯和他的同事们计划继续建立他们的工具包，同时也试图用它来提高钙钛矿pv的长期性能。

　　斯特兰克斯补充说：“太阳能电池经历了各种各样的条件——极热到极冷的温度，正向和反向偏置条件，强烈和微弱的阳光——钙钛矿太阳能电池处理所有这些条件的方式影响了它们的使用寿命。”

　　“我们想了解这些应力如何影响钙钛矿太阳能电池，从原子到模块水平，并利用这种理解来提高其商业化的可行性。”