新技术使研究人员能够绘制下一代太阳能电池的应变图

2019-11-16 10:27:00

人们可以善于隐藏压力,而我们并不孤单。太阳能电池具有相同的才能。对于太阳能电池而言,其微观晶体结构内的物理应变会通过实质上“损失”能量(如热量)而中断其核心功能(将阳光转化为电能)。对于一种新兴的太阳能电池(称为卤化钙钛矿),减少和减少这种损失是提高效率并使钙钛矿与当今的硅太阳能电池保持一致的关键。

为了了解应变在太阳能电池中的何处累积并触发能量损失,科学家必须形象化太阳能电池中钙钛矿晶体的基本晶粒结构。但是最好的方法是用高能电子轰击太阳能电池,这实际上会燃烧太阳能电池并使它无用。

来自华盛顿大学和荷兰FOM原子与分子物理研究所的研究人员已经开发出一种在不损害卤化钙钛矿型钙钛矿太阳能电池的情况下照亮应变的方法。他们的方法于9月10日在线发表在Joule上,成功地对钙钛矿型太阳能电池的晶粒结构进行了成像,表明微观钙钛矿晶体之间的取向不良是导致太阳能电池内应变增加的主要原因。晶体取向不良会在晶粒结构中产生小规模的缺陷,这些缺陷会中断电子在太阳能电池中的传输,并通过称为非辐射复合的过程导致热量损失。

威斯康星大学化学系教授兼首席科学家戴维·金格(David Ginger)说:“通过将光学成像技术与FOM开发的新型电子探测器结合在一起,我们实际上可以看到单个晶体是如何定向并组合在钙钛矿太阳能电池中的。”设在西澳大学的清洁能源研究所。“我们可以证明应变是由于晶粒取向而积累的,这是信息研究人员可以用来改进钙钛矿的合成和制造工艺的方法,从而以最小的应变实现更好的太阳能电池,从而由于非辐射复合而产生的热量损失也最小。”

卤化钙钛矿是便宜的,可印刷的晶体化合物,显示出作为当今广泛使用的硅或砷化镓太阳能电池的低成本,适应性和高效替代品的希望。但是,即使是最好的钙钛矿太阳能电池,也会因为在微观位置散布在整个电池上的热量而损失一些电,这会降低效率。

科学家们长期以来一直使用荧光显微镜来识别钙钛矿太阳能电池表面上降低效率的位置。但是,要确定造成热量损失的缺陷的位置,研究人员需要对薄膜的真实晶粒结构进行成像,据第一作者萨尔塔克·贾里瓦拉(Sarthak Jariwala)表示,他是威斯康星大学材料科学与工程专业的博士生以及清洁能源研究所的研究生。

细线表示使用新型电子背散射衍射获得的钙钛矿型太阳能电池的晶粒结构。研究人员可以使用另一种技术来绘制高能量损失(深紫色)和低能量损失(黄色)的位置图。图片来源:Jariwala et al。,Joule,2019

贾里瓦拉说:“从历史上看,不可能在不损坏太阳能电池的情况下对太阳能电池的底层真实晶粒结构进行成像。”

观察内部结构的典型方法是利用一种称为电子背散射衍射的电子显微镜形式,这种形式通常会燃烧太阳能电池。但是,由合著者埃里克·加内特和布鲁诺·埃勒领导的FOM原子与分子物理研究所的科学家们开发了一种改进的探测器,该探测器可以在更短的曝光时间内捕获电子背散射衍射图像,从而保持太阳能电池的结构。

Ginger实验室的钙钛矿太阳能电池图像显示出类似于干燥湖床的晶粒结构,“裂纹”代表了数千种钙钛矿晶粒之间的边界。利用这些成像数据,研究人员可以首次绘制出功能钙钛矿太阳能电池中晶体的3D方向图。他们还可以确定晶体之间未对准的位置在哪里产生应变。

当研究人员用非辐射复合中心覆盖钙钛矿的晶粒结构图像时(Jariwala使用荧光显微镜对其进行了成像),他们发现非辐射复合也可能发生在可见边界之外。

Ginger说:“我们认为应变会局部变形钙钛矿结构并引起缺陷。” “这些缺陷会破坏太阳能电池内的电流传输,甚至在表面的其他地方也引起非辐射复合。”

尽管Ginger的研究小组以前已经开发出方法来“治愈​​”某些钙钛矿型太阳能电池中非辐射复合中心的缺陷,但理想情况下,研究人员仍希望开发钙钛矿合成方法,以减少或完全消除非辐射复合。

“现在我们可以探索在钙钛矿合成过程中控制晶粒尺寸和取向扩散的策略,” Ginger说。“这些可能是减少取向错误和应变的途径,并且首先可以防止缺陷的形成。”

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