研究人员已经阐明了空气暴露与钙钛矿太阳能电池中增强的电子特性之间的关系。
钙钛矿太阳能电池是光伏领域的后起之秀。自从他们的发明，不到十年前，他们的效率翻了两倍，现在超过22% - 这是可再生能源领域的惊人结果。这些太阳能电池的特征是从它们的光捕获层中取名“钙钛矿”，比传统的晶体硅基电池更轻，更便宜，更灵活。
钙钛矿太阳能电池通常在制造后暴露于环境空气数小时。即使背后的原因尚不清楚，这一程序也会提高效率。现在，由Yabing Qi教授领导的冲绳科学技术研究生院(OIST)能源材料和表面科学部(EMSS)的研究人员发现了对这种做法的科学解释。他们的结果发表在Advanced Materials Interfaces上。
“这很有趣：为什么我们需要环境空气来提高钙钛矿太阳能电池的效率?” Zafer Hawash，该研究的第一作者和OIST博士生评论道。“环境空气的哪个成分与这种现象有关?” 从这些问题出发，研究人员将注意力集中在太阳能电池的顶层。
选择是合乎逻辑的，因为即使钙钛矿太阳能电池包含多个层 - 所有这些层都可能在电池效率中起作用 - 最顶层是与环境空气直接接触的层。因此，这是最有可能受外部环境影响的层。该层被称为“空穴传输层”，并且它具有掺杂剂，该掺杂剂是增强材料的导电性的物质。“众所周知，空穴传输层的掺杂剂在钙钛矿太阳能电池的性能中起着关键作用，”Hawash说。“但目前尚不清楚如何。”
科学家对空穴传输层进行了可控的暴露于环境气体，重点关注氧气，氮气和水分 - 处于气态的水。然后，他们使用各种方法检查空穴传输层的电学性质，以查看传输层内部是否以及如何变化。“我们发现氧气和氮气在掺杂剂的重新分布中没有任何作用，”Hawash解释道。“但在潮湿的情况下，太阳能电池的效率会提高。这就是发现：水分是导致掺杂剂重新分布在整个材料中的空气成分，从而提高了太阳能电池的电性能。”
科学家用传输层的结构解释了这种现象，传输层有许多针孔，允许气体在环境和下面的材料之间通过。传输层中的掺杂剂是盐 - 锂TFSI。作为盐，掺杂剂具有吸湿性：它吸收水分。当太阳能电池暴露于湿气时，传输层吸收的水导致掺杂剂重新分布。然而，长时间暴露于湿气会对太阳能电池产生不利影响。
在他们的实验中，研究人员还能够记录氧气在太阳能电池性能中的作用。“氧气也增强了传输层的导电性，但这种效果并不长久，”Hawash评论道。“但是，如果接触到适量的水分，电气特性就会不可逆转地增强。”
因此，在制造之后将器件暴露于湿气是增强太阳能电池性能的最有效方式。那么，违反直觉的是，水是你需要的钙钛矿太阳能电池才能正常工作。这一发现对于钙钛矿太阳能电池的未来至关重要，因为它最终解释了一种常见的做法，其有效性大多是轶事，因此现在可以引领钙钛矿太阳能电池性能的进一步改善。