研究人员发现，将离子引导到钙钛矿材料中的特定路径可以提高钙钛矿太阳能电池的稳定性和运行性能。这一发现为适合实际应用的新一代更轻、更灵活、更高效的太阳能电池技术铺平了道路。
由其晶体结构定义的钙钛矿材料比硅更擅长吸收光。这意味着钙钛矿太阳能电池可以比硅太阳能电池更薄更轻，同时不会牺牲电池将光能转化为电能的能力。
“这为许多新技术打开了大门，例如灵活、轻便的太阳能电池或分层太阳能电池(称为串联电池)，它们比当今所谓的太阳能农场中使用的太阳能收集技术更有效，”有关该发现的论文的通讯作者AramAmassian说。“人们对将钙钛矿材料整合到硅太阳能电池技术中很感兴趣，这将使它们的效率从25%提高到40%，同时还能利用现有的基础设施。”Amassian是北卡罗来纳州立大学材料科学与工程教授。
然而，使用钙钛矿材料提出了挑战，因为钙钛矿太阳能电池无法维持长期运行稳定性。钙钛矿是离子材料，当对钙钛矿施加电压时，它会导致离子迁移通过材料。这些迁移离子被认为有助于材料的化学和结构变化，最终使材料效率低下且不稳定。为了制造实用的钙钛矿太阳能电池，研究人员需要找到解决这个问题的方法。
“我们还没有找到一种方法来阻止离子穿过钙钛矿材料，但我们发现可以将这些离子引导到一个安全的管道中，而不会损害材料的结构完整性或性能，”Amassian说。“这是向前迈出的一大步。”
在这种情况下，安全管道是一种称为晶界的东西。钙钛矿材料是多晶材料。这意味着当您“生长”钙钛矿时，该材料会形成一系列彼此齐平的晶体或“晶粒”。这些颗粒负责吸收光并产生负责电流的电荷。这些晶粒中的每一个都具有相同的晶体结构，但晶粒的取向可能略有不同。晶粒接触的区域称为晶界。
“我们发现，当离子主要沿着晶界移动时，晶粒可以更好地免受损伤，”第一作者和共同通讯作者MasoudGhasemi说，他曾是北卡罗来纳州立大学的博士后研究员，现在是北卡罗来纳州立大学的博士后研究员。宾夕法尼亚州立大学。
“将其与钙钛矿材料的已知知识相结合，很明显当晶界变弱时问题就开始了，这使得离子更容易进入晶粒本身。设计更坚固的晶界来保护晶粒对于阻止迁移离子至关重要和氧气等其他有害物质进入谷物，减轻材料中有问题的化学和结构变化。”
“这是一个重要的见解，因为我们可以使用成熟的技术来设计钙钛矿材料及其晶界;我们现在可以利用这些方法来保护晶粒，”Amassian说。“我们在本文中展示了这些技术如何加强晶界。简而言之，我们现在知道需要做什么才能制造出更稳定的钙钛矿。”
这项工作还可能为开发更高效的储能技术提供信息。
“这项工作促进了我们对离子如何穿过任何可以携带电荷的晶体材料的基本理解，而不仅仅是卤化物钙钛矿，”Amassian说。“我们很高兴能与从事储能工作的同事讨论这可能如何为更快的离子导体工程提供信息。”
该论文“多尺度离子扩散框架揭示了金属卤化物钙钛矿中的扩散-稳定性-滞后关系”，发表在《自然材料》杂志上。