钙钛矿晶格膨胀：揭秘太阳能电池效率提升的关键

钙钛矿晶格膨胀：揭秘太阳能电池效率提升的关键

钙钛矿材料因其独特的光电性质，在太阳能电池领域展现出巨大的应用潜力。近年来，研究人员发现钙钛矿材料在光照条件下会发生晶格膨胀，这种现象不仅能够提升太阳能电池的效率，还为开发新型光伏材料提供了新的思路。

钙钛矿材料是一类具有ABX3型晶体结构的化合物，其中A位通常由有机阳离子（如甲胺离子）或无机阳离子（如铯离子）占据，B位由金属离子（如铅或锡）占据，X位则由卤素离子（如碘或溴）占据。这种特殊的晶体结构赋予了钙钛矿材料优异的光电性质。

钙钛矿材料具有以下特点：

• 宽广的光吸收范围：在300-800nm波长范围内具有高吸收系数（大于3*10-4cm-1），能够有效吸收太阳光。
• 低激子结合能：约55+20meV，有利于电荷分离，抑制载流子复合。
• 高载流子迁移率：电子迁移率达75 cm2/(V·s)，空穴迁移率达12.5cm2/(V·s)以上，保证了高效的电荷传输。
• 可调的带隙宽度：通过调节组分，带隙可在1.4~2.3eV之间连续变化，适用于不同应用场景。

这些优异的性质使得钙钛矿材料在太阳能电池领域迅速崛起。目前，钙钛矿太阳能电池的最高光电转换效率已达到25%，与传统的单晶硅电池相当，但其研发周期仅用了十年左右，远短于其他太阳能电池材料的发展历程。

2018年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Nie和Mohite等人在Science杂志上发表了一篇引人注目的论文。他们发现，当混合金属卤化物钙钛矿薄膜在光照条件下工作时，会发生显著的晶格膨胀，且这种膨胀并非由热效应引起。更令人兴奋的是，这种晶格膨胀能够将钙钛矿太阳能电池的效率从18.5%提升至20.5%。

然而，这一发现很快引发了学术界的争议。斯坦福大学的Dauskardt等人对这一结论提出了质疑。他们通过精确控制钙钛矿薄膜的温度，发现所谓的"光诱导晶格膨胀"实际上是由热效应引起的。在暗态和光照条件下，钙钛矿薄膜的响应完全相同，这表明光本身对晶格变化没有贡献。

面对质疑，Mohite等人进行了详细的回应。他们指出，实验中观察到了峰锐化和光致发光光谱的红移现象，这些现象无法用热效应解释。此外，不同组分的钙钛矿材料可能表现出不同的光响应特性，需要进一步研究来澄清这一现象。

为了揭示晶格膨胀提升太阳能电池效率的内在机制，北京计算科学研究中心的张燮与魏苏淮教授进行了深入研究。他们通过第一性原理计算发现，仅1%的晶格膨胀就能使载流子非辐射俘获系数降低一个数量级。

这种效应的产生并非由于带隙或缺陷能级的变化，而是因为晶格膨胀后，缺陷在进行价态转变时的结构驰豫增强，从而提高了缺陷对载流子的俘获势垒。这一发现不仅解释了晶格膨胀如何提升电池效率，还为通过光和晶格相互作用调控光电材料性能提供了新的思路。

全钙钛矿叠层太阳能电池是当前研究的热点方向。这种结构能够突破单结太阳能电池的肖克利-奎伊瑟效率理论极限，同时保持低成本优势。然而，Sn-Pb混合窄带隙钙钛矿薄膜的表面缺陷问题一直是制约效率提升的关键瓶颈。

华中科技大学武汉光电国家研究中心陈炜、刘宗豪团队提出了一种创新的表面修饰策略。他们使用1,4-丁二胺（BDA）和乙二胺碘化铵（EDAI2）作为表面改性剂，通过化学抛光和钝化作用，有效减少了Sn4+表面缺陷，实现了对有机铵阳离子空位和I−空位缺陷的修复。

基于这一策略，研究团队制备出了接近理想化学比的高质量Sn-Pb钙钛矿薄膜。实验结果显示，带隙为1.32 eV和1.25 eV的Sn-Pb钙钛矿单结电池光电转换效率分别达到了22.65%和23.32%。更令人振奋的是，采用该方法的全钙钛矿叠层太阳能电池第三方认证效率高达28.49%，且在环境空气中连续运行550小时后仍能保持初始效率的79.7%。

这一突破不仅展示了钙钛矿太阳能电池的巨大潜力，也为未来实现高效、稳定的光伏能源转换提供了新的技术途径。随着研究的不断深入，钙钛矿材料有望在不久的将来为全球能源转型做出重要贡献。