像这样的钙钛矿太阳能电池，由Xiwen Gong的团队制造，可以使太阳能更便宜、更环保，但它们的降解速度比硅快。在发表在《物质》杂志上的一项研究中，该团队发现了如何使黑色钙钛矿薄膜的使用寿命更长。
这些发现可能使工程师能够系统地确定延长钙钛矿太阳能电池寿命的最有效分子，摆脱对耗时的试错方法的依赖。
密歇根大学的一项发现为防止钙钛矿半导体的快速降解提供了关键的见解。这一进步有可能使太阳能电池比目前的薄膜太阳能电池板便宜两到四倍。
钙钛矿还可以与当今太阳能电池板中普遍存在的硅基半导体相结合，以产生“串联”太阳能电池，其理论效率可能超过硅太阳能电池的最大理论效率。
“硅太阳能电池很棒，因为它们非常高效，可以持续很长时间，但高效率伴随着高成本，”密歇根大学化学工程助理教授Xiwen Gong说。“要制造高纯度硅，需要超过1000摄氏度的温度。否则，效率就不会那么好。
钙钛矿太阳能电池的挑战
高温会带来更高的经济和环境成本。但是，虽然钙钛矿可以在较低的温度下生产，但当暴露在热、湿气和空气中时，它们会降解。因此，如今钙钛矿的寿命太短，无法在太阳能电池板中具有商业竞争力。
Gong的研究旨在制造更坚韧的钙钛矿太阳能电池，她发表在《物质》杂志上的最新研究表明，笨重的“缺陷安抚”分子最能提高钙钛矿的稳定性和整体寿命。
Xiwen Gong的团队设计了这三种分子添加剂，以研究添加剂的尺寸和构型如何影响钙钛矿薄膜的稳定性，钙钛矿薄膜是一类可用于制造高效、低成本太阳能电池的材料。这些添加剂可以防止缺陷 – 损害太阳能电池的效率 – 在钙钛矿晶格断裂处生长，称为晶界。钙钛矿晶格显示为黄色钻石阵列，而缺陷位点显示为深蓝色虚线圆圈。黑色虚线描绘了钙钛矿和添加剂之间可能形成的键。最笨重的分子覆盖了钙钛矿晶粒表面的大多数缺陷，同时在制造过程中也增加了晶粒的整体尺寸。钙钛矿晶粒越大，整个薄膜的晶界密度越低，从而减少了可能形成缺陷的位置数量。
了解钙钛矿缺陷
钙钛矿晶体含有铅原子，这些铅原子未与钙钛矿中的其他成分完全结合。这种“不协调位点”是经常在晶体表面和晶格断裂的晶界处发现的缺陷。这些缺陷阻碍了电子的运动，加速了钙钛矿材料的衰变。
工程师们已经知道，将缺陷安抚分子混合到钙钛矿中可以帮助锁定不协调的铅，从而防止在高温下形成其他缺陷。但直到现在，工程师们还不知道给定的分子如何影响钙钛矿电池的耐寒性。
“我们想弄清楚分子上的哪些特征特别提高了钙钛矿的稳定性，”前化学工程博士后研究员、该研究的第一作者之一Hongki Kim说。
钙钛矿添加剂研究
为了研究这个问题，龚的团队创造了三种形状和大小各异的添加剂，并将它们添加到钙钛矿晶体薄膜中，钙钛矿晶体可以吸收光并将其转化为电能。每种添加剂都含有相同或相似的化学结构单元，这使得尺寸、重量和排列成为区分它们的主要特性。
然后，研究小组测量了不同添加剂与钙钛矿相互作用的强度，从而影响了薄膜中缺陷的形成。按质量计算，较大的分子更善于粘附在钙钛矿上，因为它们具有更多与钙钛矿晶体相互作用的结合位点。因此，它们往往更能防止缺陷的形成。
但最好的添加剂也需要占用大量空间。在制造过程中，大而细的分子导致钙钛矿晶粒较小。较小的晶粒并不理想，因为它们还会产生具有更多晶界或更多缺陷形成区域的钙钛矿电池。相反，大块的分子迫使形成较大的钙钛矿晶粒，这反过来又降低了薄膜中晶界的密度。
添加剂尺寸和形状的影响
将钙钛矿薄膜加热到200摄氏度以上证实，笨重的添加剂有助于薄膜保留更多其特有的板岩黑色，并减少结构缺陷。
“在设计添加剂时，尺寸和配置都很重要，我们相信这种设计理念可以在各种钙钛矿配方中实施，以进一步提高钙钛矿太阳能电池、发光器件和光电探测器的寿命，”卡洛斯·亚历杭德罗·菲格罗亚·莫拉莱斯说，他是大分子科学与工程博士生，也是该研究的第一作者之一。
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