4月17日消息，由劍橋大學(xué)、沖繩科技大學(xué)研究生院（OIST）的科學(xué)家共同領(lǐng)導(dǎo)的多機(jī)構(gòu)合作近日獲得突破性成果，他們發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致下一代太陽能電池和柔性LED潛在材料——鈣鈦礦中出現(xiàn)“效率缺陷”的根源。

現(xiàn)在，全世界每個(gè)人都應(yīng)該同意，就滿足人類對能源的需求而言，可再生能源是前進(jìn)的唯一途徑。但是，談到各種更環(huán)保的電源替代方案時(shí)，每個(gè)方案確實(shí)都有其自身的局限性。

風(fēng)能的風(fēng)速波動(dòng)很大，在一天中的大部分時(shí)間內(nèi)都不可靠;可以建造水壩發(fā)電，但對生態(tài)環(huán)保有很多影響;陽光是免費(fèi)的，而且非常環(huán)保，難道太陽能發(fā)電就沒有局限性了嘛？更其他再生能源一樣，太陽能發(fā)電也有其局限性，迄今為止記錄到的市售太陽能電池的最大效率為33.7%。這一直是太陽能行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)之一，但是為什么太陽能電池板的效率如此低呢？ 我們很快就會(huì)得到答案，但是首先，了解太陽能電池到底是什么很重要。

在過去的十年中，鈣鈦礦這種具有特定晶體結(jié)構(gòu)的多種材料，已經(jīng)成為硅太陽能電池的有前途的替代品，因?yàn)樗鼈冎圃炱饋砀阋恕⒏h(huán)保，同時(shí)達(dá)到了可比的效率水平。

然而，鈣鈦礦材料制作的太陽能電池，往往會(huì)出現(xiàn)明顯的性能損失和不穩(wěn)定性。迄今為止，大多數(shù)研究都集中在消除這些損失的方法上，但是它們的實(shí)際物理原因仍然未知。

日前《自然》（Nature）雜志上發(fā)表的一篇論文中，來自劍橋大學(xué)化學(xué)工程與生物技術(shù)系和卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的Sam Stranks博士小組的研究人員以及日本OIST的Keshav Dani教授的飛秒光譜學(xué)部門的研究人員確定了問題的根源。他們的發(fā)現(xiàn)可以簡化提高鈣鈦礦應(yīng)用效率的努力，使它們更接近面向大眾市場的生產(chǎn)。

通常而言，當(dāng)光照射到鈣鈦礦太陽能電池上或電通過鈣鈦礦LED時(shí)，電子被激發(fā)并躍遷到更高的能量狀態(tài)。帶負(fù)電的電子留在被稱為空穴的空間后面，然后該空間具有相對正的電荷。激發(fā)的電子和空穴都可以移動(dòng)穿過鈣鈦礦材料，因此充當(dāng)電荷載流子。

但是在鈣鈦礦中，會(huì)發(fā)生某種類型的缺陷，此時(shí)通電的載流子會(huì)被卡住。被俘獲的電子和空穴重新結(jié)合，將其能量損失變熱，而不是將其轉(zhuǎn)化為有用的電或光，這大大降低了太陽能電池板和LED的效率和穩(wěn)定性。

到目前為止，人們對這些“陷阱”的成因知之甚少，部分原因是它們的行為似乎與傳統(tǒng)太陽能電池材料中的缺陷截然不同。

2015年，Stranks博士的小組曾在《科學(xué)》上發(fā)表了一篇論文，研究了鈣鈦礦的發(fā)光，揭示了鈣鈦礦在吸收或發(fā)射光方面的表現(xiàn)。他們發(fā)現(xiàn)材料非常異質(zhì)。Stranks博士描述稱：“有很大的區(qū)域是明亮和發(fā)光的，而其他區(qū)域?qū)嶋H上是黑暗的。這些黑暗的區(qū)域與太陽能電池或LED的功率損耗相對應(yīng)。但是造成功率損耗的原因始終是個(gè)謎，特別是因?yàn)殁}鈦礦對缺陷的耐受性很高。”

由于標(biāo)準(zhǔn)成像技術(shù)的局限性，當(dāng)時(shí)研究團(tuán)隊(duì)無法分辨出較暗的區(qū)域是由一個(gè)大的陷阱位點(diǎn)還是許多較小的陷阱引起的，因此很難確定為什么它們僅在某些區(qū)域形成。到了2017年晚些時(shí)候，OIST的Dani教授的團(tuán)隊(duì)在《自然·納米技術(shù)》上發(fā)表了一篇論文，在那里他們拍攝了一組圖像，呈現(xiàn)了電子在吸收光后在半導(dǎo)體中的表現(xiàn)。Dani教授稱：“通過觀察光照射后電荷在材料或設(shè)備中的移動(dòng)方式，我們可以發(fā)現(xiàn)很多東西。例如，您可以看到電荷在哪里被捕獲。”“但是，這些損耗很難以可視化的方式顯示，因?yàn)樗鼈円苿?dòng)非常快——-在十億分之一秒的百萬分之一的時(shí)間尺度上；并且在非常短的距離上，大約是十億分之一米的長度尺度。

于是Stranks博士團(tuán)隊(duì)和Dani教授團(tuán)隊(duì)形成了合作，看他們是否可以共同解決鈣鈦礦中暗區(qū)的可視化問題。

OIST的團(tuán)隊(duì)首次在鈣鈦礦上使用了一種稱為光發(fā)射電子顯微鏡（PEEM）的技術(shù)，他們用紫外線探測該材料，并從發(fā)射的電子中形成圖像。

當(dāng)他們查看材料時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)黑暗區(qū)域包含“陷阱”，長度約10-100納米，是由較小原子尺寸的陷阱位點(diǎn)組成的簇。這些陷阱簇不均勻地分布在整個(gè)鈣鈦礦材料中，這解釋了Stranks博士早期研究中發(fā)現(xiàn)的不均勻發(fā)光現(xiàn)象。

有趣的是，當(dāng)研究人員將陷阱位置的圖像疊加到顯示鈣鈦礦材料晶粒的圖像上時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)陷阱簇僅在特定位置形成，位于某些晶粒之間的邊界處。

為了理解為什么僅在某些晶界發(fā)生這種現(xiàn)象，研究小組與劍橋大學(xué)材料科學(xué)與冶金學(xué)系的Paul Midgley教授的團(tuán)隊(duì)合作，后者使用一種稱為掃描電子衍射（scanning electron diffraction）的技術(shù)來創(chuàng)建鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的詳細(xì)圖像。Midgley教授的團(tuán)隊(duì)利用了鉆石光源同步加速器的ePSIC設(shè)施中的電子顯微鏡設(shè)置，該設(shè)施具有用于對射線敏感材料（例如鈣鈦礦）成像的專用設(shè)備。

“由于這些材料對光束非常敏感，因此您可以使用典型的技術(shù)在這些長度尺度上探測局部晶體結(jié)構(gòu)，從而在查看時(shí)迅速改變材料，” Stranks博士的Tiarnan Doherty解釋說。研究小組和共同主要作者。“相反，我們能夠使用非常低的暴露劑量，因此可以防止傷害。”

“通過OIST的工作，我們知道了陷阱簇的位置，在ePSIC上，我們在同一區(qū)域周圍進(jìn)行了掃描以查看局部結(jié)構(gòu)。我們能夠快速查明陷阱位置周圍晶體結(jié)構(gòu)的意外變化。”

該小組發(fā)現(xiàn)，陷阱簇僅在結(jié)點(diǎn)處形成，結(jié)點(diǎn)處材料的結(jié)構(gòu)略有變形，而結(jié)點(diǎn)處的區(qū)域則為原始結(jié)構(gòu)。

斯特蘭克斯博士說：“鈣鈦礦中，我們有這些規(guī)則的鑲嵌材料，大多數(shù)的晶粒又優(yōu)質(zhì)又原始，這是我們期望的結(jié)構(gòu)。” “但是每隔一段時(shí)間，您會(huì)得到一個(gè)略微扭曲的顆粒，并且該顆粒的化學(xué)性質(zhì)是不均勻的。真正有趣的是，最初使我們感到困惑的是，不是扭曲的顆粒才是陷阱，而是當(dāng)那個(gè)顆粒遇到一個(gè)原始顆粒；陷阱就在那個(gè)結(jié)點(diǎn)形成。”

基于對這種“陷阱”性質(zhì)的了解，OIST的團(tuán)隊(duì)還使用了定制的PEEM儀器來可視化鈣鈦礦材料中發(fā)生的電荷載流子陷阱過程的動(dòng)力學(xué)。PEEM裝置的獨(dú)特功能之一是，它可以對超快的過程進(jìn)行成像——短至飛秒，隨后，研究人員發(fā)現(xiàn)俘獲過程主要由擴(kuò)散到陷阱簇的電荷載流子控制。

這些發(fā)現(xiàn)代表了將鈣鈦礦帶入太陽能市場的重大突破。“我們?nèi)匀徊恢罏槭裁聪葳鍟?huì)聚集在那兒，但是現(xiàn)在我們知道它們確實(shí)是在那兒形成的，而且只有在那兒。” “這令人興奮，因?yàn)檫@意味著我們現(xiàn)在知道要針對什么來提高鈣鈦礦的性能。我們需要針對那些不均勻的相或以某種方式擺脫這些結(jié)合。”

團(tuán)隊(duì)的研究集中在一種特定的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)上。現(xiàn)在，科學(xué)家將調(diào)查這些陷阱簇的原因是否在所有鈣鈦礦材料中都普遍存在。

延伸閱讀：

什么是太陽能電池？

太陽能電池是一種以直射陽光的形式捕獲太陽能量并將其轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備。太陽能電池也稱為光伏電池，這意味著它將存在于光中的光子轉(zhuǎn)換為電壓差（這實(shí)際上是指“電能”）。要了解太陽能電池的局限性，我們必須仔細(xì)研究其構(gòu)造。

太陽能電池是使用p型和n型硅晶圓制成的。p型硅晶片由更多的孔組成，這意味著它缺少電子，而n型晶片具有過量的電子。兩者接觸的界面稱為結(jié)（更準(zhǔn)確地說是PN結(jié)）。PN結(jié)是太陽能電池的主要組成部分。

我們所說的太陽能電池效率是什么意思？

我們使用的每個(gè)設(shè)備都具有一定的效率。考慮一臺(tái)每小時(shí)可生產(chǎn)10個(gè)氣球的機(jī)器。在這十個(gè)氣球中，有兩個(gè)氣球有孔或其他類型的缺陷。這意味著該機(jī)器的效率為80%，因?yàn)樵摍C(jī)器吸收了生產(chǎn)10個(gè)氣球所需的原材料，但僅將其中的80%轉(zhuǎn)換為有用的輸出。因此，設(shè)備的效率代表了提供給它的每單位輸入所產(chǎn)生的有用輸出量。

類似地，太陽能電池上的入射輻射不會(huì)完全轉(zhuǎn)換為電能。只能獲取該能量的一小部分（如我們已經(jīng)看到的小得多）作為有用的工作。有許多不同的衡量太陽能電池效率的方法，但最普遍的方法是肖克利-奎塞爾極限。

什么是肖克利-奎塞爾極限？

肖克利-奎塞爾極限（通常稱為SQ極限）是提高太陽能電池效率的最重要科學(xué)手段。它測量標(biāo)準(zhǔn)測試條件（STC）下單個(gè)PN結(jié)太陽能電池的理論效率。STC近似于美國大陸春季和秋季春分時(shí)的太陽正午，太陽能電池的表面直接對準(zhǔn)太陽（太陽能效率極限）。

該限制是在某些假設(shè)下測得的，太陽能電池必須僅由一種均質(zhì)材料制成，每個(gè)太陽能電池只能有一個(gè)p-n結(jié)，并且假定每個(gè)能量大于帶隙的光子都將轉(zhuǎn)換為電能。如果您不了解光子或帶隙的含義，請不要擔(dān)心，我們將在下面進(jìn)行討論。

為什么效率受到限制？

使用太陽能電池發(fā)電的過程主要取決于一個(gè)非常重要的步驟。電子從價(jià)帶（太陽能電池的PN結(jié)）躍遷到導(dǎo)帶（外部電路，例如電池）。供您參考，正常原子中沒有外部能量的電子被稱為在價(jià)帶中。為了產(chǎn)生電，這些電子必須轉(zhuǎn)移到外部電路，這被稱為導(dǎo)帶。

電子本身不會(huì)從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。 必須提供一定量的能量（稱為帶隙），以使它們進(jìn)行過渡。

現(xiàn)在，入射的太陽輻射由許多不同波長的波組成，如上面的光譜所示。左側(cè)的長波最弱（能量較少），而右側(cè)的短波更強(qiáng)大。因此，這些波中只有少數(shù)具有必要的能量來克服能壘。

讓我們看一個(gè)例子，以更好地了解上述過程。考慮一包由100個(gè)不同波長的光子組成的光子（光子）撞擊由硅制成的太陽能電池。在這100個(gè)波中，有40個(gè)波具有相當(dāng)于硅帶隙的能量，因此將能夠發(fā)電。其余的波將作為熱量消散或從電池表面反射回來。因此，太陽能電池的效率受到限制。

還有其他影響效率的因素嗎？

正如我們所看到的，電子躍遷的閾值能壘原來是太陽能電池板效率低的主要原因。但是，它不是影響它的唯一因素。還有許多其他元素在這里起著相當(dāng)重要的作用。

圖注：臭氧層阻止高能紫外線到達(dá)地表。

離開太陽的能量與我們在地球上接收到的能量不同。這是因?yàn)檩椛浔仨毚┻^包圍我們星球的濃厚大氣傳播。現(xiàn)在，諸如光的散射和折射之類的不同現(xiàn)象降低了其強(qiáng)度。臭氧層會(huì)阻止有害的紫外線輻射到達(dá)我們（這些波對我們有害，因?yàn)樗鼈儞碛懈嗟哪芰浚虼藭?huì)損壞我們的眼睛細(xì)胞）。 然而，這些是能夠越過閾值能量的波，但卻稀疏地到達(dá)表面，從而再次導(dǎo)致太陽能電池板的效率降低。

有什么解決辦法嗎？

即使目前我們可以買到的大多數(shù)商用太陽能電池的轉(zhuǎn)換率都無法超過33%的標(biāo)準(zhǔn)，但未來的前景似乎一片光明。劍橋大學(xué)致力于鈣鈦礦材料用于柔性LED和下一代太陽能電池的研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)它們的化學(xué)成分順序較少（從本文范圍外的東西）時(shí)，它們的效率會(huì)更高，從而大大簡化了生產(chǎn)生產(chǎn)過程，并且降低成本。

同樣，世界各地的科學(xué)家一直在研究更新的材料，例如氮化鎵，鍺，磷化銦等。許多人認(rèn)為，這些材料將通過改變多結(jié)太陽能電池的帶隙極限，有效地利用整個(gè)太陽光譜將其轉(zhuǎn)化為電能。總而言之，太陽能行業(yè)的未來確實(shí)是光明的。

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