近年來，一種新型的太陽能技術似乎很有前途。鹵化物過氧化物太陽能電池在生產電能方面既高性能又低成本–這是未來任何成功太陽能技術的兩個必要因素。但是新的太陽能電池材料也應該與硅基太陽能電池的穩定性相匹配，後者擁有超過25年的可靠性。

封面插圖顯示，鹵化物過氧化物結構的表面被一個大的有機陽離子所改變。陽離子在薄膜中擴散，重建表面結構。資料來源：《先進材料》雜誌

在新發表的研究中，由佐治亞理工學院材料科學與工程學院助理教授Juan-Pablo Correa-Baena領導的一個團隊表明，鹵化物過氧化物太陽能電池的穩定性比以前想像的要差。他們的工作揭示了發生在電池界面層內的熱不穩定性，但也為鹵化物過氧化物太陽能技術的可靠性和效率提供了前進的道路。他們的研究在2022年12月作為《先進材料》雜誌的封面故事發表，對從事光伏領域過氧化物工作的學者和行業專家都有直接影響，光伏領域是一個與陽光產生的電流有關的領域。

鹵化鉛過氧化物太陽能電池有望將太陽光轉換為電能，效果極佳。目前，從這些電池中哄騙出高轉換效率的最常見策略是用被稱為陽離子的大型正電離子處理其表面。

這些陽離子太大，無法進入包晶石的原子尺度晶格，一旦落在包晶石晶體上，就會在它們沉積的界面上改變材料的結構。由此產生的原子級缺陷限制了從太陽能電池中提取電流的效率。儘管意識到了這些結構變化，但關於陽離子在沉積後是否穩定的研究是有限的，這使得人們對一個可能影響鹵化物過氧化物太陽能電池長期生存能力的過程的理解出現了空白。

為了進行實驗，該團隊使用典型的過氧化物薄膜創建了一個樣品太陽能設備。該裝置具有八個獨立的太陽能電池，這使研究人員能夠根據每個電池的性能進行實驗並產生數據。他們調查了在有陽離子表面處理和沒有陽離子表面處理的情況下電池將如何表現，並使用基於同步輻射的X射線表徵技術研究了每個電池在長期熱應力之前和之後的陽離子改性界面。

首先，研究人員將預處理過的樣品暴露在100攝氏度的環境中40分鐘，然後用X射線光電子能譜儀測量其化學成分的變化。他們還使用另一種類型的X射線技術，精確調查在薄膜表面形成何種類型的晶體結構。結合這兩種工具的信息，研究人員可以直觀地看到陽離子如何擴散到晶格中，以及界面結構在受熱時如何變化。

接下來，為了了解陽離子引起的結構變化如何影響太陽能電池的性能，研究人員與喬治亞理工大學物理和化學教授Carlos Silva合作，採用了激發相關光譜。該技術將太陽能電池樣品暴露在非常快速的光脈衝下，並在每個脈衝後檢測從薄膜中發射的光的強度，以了解光的能量是如何損失的。測量結果使研究人員能夠了解什麼樣的表面缺陷對性能不利。

最後，研究小組將結構和光電性能的變化與太陽能電池效率的差異聯繫起來。他們還研究了兩種最常用的陽離子在高溫下引起的變化，並觀察了它們界面上的動力學差異。

研究人員了解到，用有機陽離子處理的金屬鹵化物過氧化物薄膜的表面在熱應力作用下，結構和成分不斷演變。他們看到，由此產生的界面上的原子級變化會導致太陽能電池的功率轉換效率的有意義的損失。此外，他們發現這些變化的速度取決於所使用的陽離子的類型，這表明只要對分子進行適當的設計，穩定的界面可能是可以實現的。

Correa-Baena說：”我們希望這項工作將迫使研究人員在高溫下測試這些界面，並尋求不穩定問題的解決方案。這項工作應該為科學家們指出正確的方向，指出他們可以關注的領域，以便建立更高效和穩定的太陽能技術”。