包晶石太阳能电池打破25.1%转化效率纪录

研究人员利用分子组合来解决各种问题，从而提高了电池效率。美国西北大学的研究人员通过一项新开发再次提升了过氧化物太阳能电池的标准，帮助这项新兴技术创下了新的效率纪录。最近发表在《科学》（Science）杂志上的这一研究成果描述了一种双分子解决方案，以克服阳光转化为能量过程中的效率损失。

美国西北大学（Northwestern University）在包晶石太阳能电池方面的最新研究创造了 25.1% 的新效率纪录，该研究采用了一种新型双分子方法来减少电子重组。这一研究成果标志着我们朝着使包晶石太阳能电池成为传统硅基电池更高效、更稳定的替代品迈出了重要一步。

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通过首先加入一种分子来解决所谓的表面重组（电子被缺陷（表面上缺失的原子）困住时会丢失），然后再加入另一种分子来破坏层间界面的重组，该团队的效率达到了美国国家可再生能源实验室（NREL）认证的 25.1%，而之前的方法效率仅为 24.09%。

西北大学教授泰德-萨金特（Ted Sargent）说："包晶太阳能技术发展迅速，研发重点正从块状吸收体转向界面。这是进一步提高效率和稳定性的关键点，使我们更接近这条通往更高效太阳能收集的充满希望的道路"。

萨金特是 Paula M. Trienens 可持续发展与能源研究所（前身为 ISEN）的联合执行主任，也是材料化学和能源系统方面的多学科研究人员，在温伯格艺术与科学学院化学系和麦考密克工程学院电气与计算机工程系任职。

传统的太阳能电池由高纯度硅晶片制成，生产过程耗能巨大，而且只能吸收固定范围的太阳光谱。包晶石材料的尺寸和成分可以调整，以"调节"其吸收的光波长，这使其成为一种有利的、潜在的低成本、高效率的新兴串联技术。

一直以来，由于其相对不稳定性，包晶体太阳能电池在提高效率方面一直面临挑战。在过去的几年里，萨金特实验室和其他实验室取得的进展已经使包晶石太阳能电池的效率达到了与硅相同的范围。

电子保留方面的进展

在目前的研究中，研究小组不是试图帮助电池吸收更多的阳光，而是把重点放在维持和保留产生的电子以提高效率的问题上。当包晶石层与电池的电子传输层接触时，电子会从一个层移动到另一个层。但电子又会向外移动，并与存在于包晶石层上的空穴进行填充或"重组"。

第一作者、萨金特实验室博士后刘成说："界面上的重组非常复杂，萨金特实验室由查尔斯-莫里森（Charles E. and Emma H. Morrison）化学教授梅尔库里-卡纳齐迪斯（Mercouri Kanatzidis）共同指导。使用一种分子来解决复杂的重组和保留电子是非常困难的，因此我们考虑了可以使用什么样的分子组合来更全面地解决这个问题"。

萨金特团队过去的研究发现，有证据表明一种分子 PDAI2 可以很好地解决界面重组问题。接下来，他们需要找到一种能够修复表面缺陷并防止电子与之重组的分子。

双分子方法和未来工作

通过找到让 PDAI2 与辅助分子协同工作的机制，研究小组锁定了硫，硫可以取代碳基（通常在防止电子移动方面表现不佳），覆盖缺失的原子并抑制重组。

同一研究小组最近在《自然》（Nature）杂志上发表的一篇论文，为过氧化物层下的衬底开发了一种涂层，以帮助电池在更高温度下长时间工作。刘说，这种解决方案可以与《科学》论文中的发现协同工作。

研究小组希望他们的发现能鼓励更多的科学界人士继续推进这项工作，同时他们也将开展后续工作。

"我们必须采用更灵活的策略来解决复杂的界面问题，"Cheng 说。"我们不能像以前那样只使用一种分子。我们用两种分子来解决两种重组，但我们确信在界面上还有更多种类的缺陷相关重组。我们需要尝试使用更多的分子来组合在一起，确保所有分子在不破坏彼此功能的情况下协同工作。