具有钙钛矿晶体结构的材料已经非常流行用于太阳能电池。尽管大多数钙钛矿是无机化合物，但这种新材料是相对便宜的有机和无机材料的混合物。在短短的几年内，研究人员使用这些钙钛矿获得了惊人的功率转换效率，堪与现有的最佳光伏材料相媲美。
现在，日本的研究人员已经揭示了钙钛矿型太阳能电池重要组成部分如何工作的物理原理-这一发现可能会导致太阳能电池的改进，甚至是更新更好的材料。他们在本周发行的AIP出版的《应用物理学快报》上描述了他们的实验。
筑波大学的丸本和宏说：“主要的研究集中在用钙钛矿提高太阳能电池的效率上。” “但这些太阳能电池(如何使用钙钛矿工作)背后的微观机制尚未得到充分研究。”
太阳能电池通过将光能转化为电能来工作。例如，当光子撞击钙钛矿时，它将电子打散。电子空出的空斑称为空穴，并充当带正电的粒子。电子和空穴的随后运动是产生电流的原因。
由于钙钛矿本身不能很好地传导空穴的运动，因此太阳能电池需要附加一层空穴传输材料来促进电流流动。一种常见的空穴传输材料是称为螺-OMeTAD的化合物。为了进一步提高电流，研究人员在螺-OMeTAD中添加了一种称为LiTFSI的锂盐。该过程称为“掺杂”。
Spiro-OMeTAD是一种无定形材料，具有一些独特的性能。大多数固体材料具有定义明确的电子能带，电子和空穴可以在其中移动以传输穿过材料。例如，晶体通常具有能带使电子和空穴对称流动的能带结构。但是无定形材料却没有。
由于这种不对称的能带结构，空穴可能很难穿过非晶态材料，因为它们会陷于特定的能级。但是，根据理论，用LiTFSI掺杂spiro-OMeTAD可以防止空穴被捕获。
电子对占据螺环-OMeTAD中的每个能级。但是，当引入LiTFSI时，其中一个电子被去除，在其位置留下一个孔。该孔的存在可防止其他孔卡在该能级上，从而使它们自由移动并产生电流。
以前，没有人确认这一过程。但是，丸本和他的同事们现在已经使用电子自旋共振(ESR)光谱表明，这种机制实际上是负责改善螺-OMeTAD载流电流的能力。
ESR光谱法测量的是单个未配对电子的自旋，这是在掺有LiTFSI的螺环-OMeTAD中产生的。在没有光的实验中，研究人员发现，在掺杂后，螺-OMeTAD中的电子自旋数增加了两个数量级，从而证实了LiTFSI的作用。
为了了解掺杂如何影响钙钛矿/螺-OMeTAD太阳能电池的效率，研究人员随后在带灯的情况下对两种层叠在一起的材料进行了实验。光诱导空穴从钙钛矿转移到螺-OMeTAD并产生电流。研究人员发现，掺杂促进了空穴传输，证明了LiTFSI如何提高太阳能电池的效率。