研究人员揭示了锡基钙钛矿为何能够将来自阳光的能量保留更长的时间。这一特性可能使其成为下一代高效太阳能电池极具前景的材料。

传统太阳能电池无法捕获阳光携带的全部能量。当光照使太阳能材料中的电荷载流子受到激发时，这些载流子起初具有额外能量，但随着载流子冷却，其中大部分能量会迅速以热量形式散失。 

热载流子太阳能电池是一项新兴概念，其原理是在载流子的额外能量散失前将这些载流子捕获并加以利用。理论上，这可使太阳能电池利用阳光中的更多能量。 

难点在于，电荷载流子通常会在皮秒量级的时间内冷却，可供捕获其额外能量的时间极短。 

锡基钙钛矿则有所不同。此前实验表明，其中的电荷载流子可在更长时间内保持高能状态，部分情况下可达到纳秒量级。格罗宁根大学和维也纳工业大学的研究人员现对这一现象背后的原因进行了研究。 

锡为何能让载流子保持高能状态 

该研究发现了两种可共同减缓能量损失的效应。 

第一种效应称为能带填充。当受激电荷载流子进入较低能态后，这些能态逐渐被占据，其他载流子可进入的低能态随之减少，因而也就更难继续释放能量。 

由于锡基钙钛矿具有相对较低的载流子有效质量等电子特性，因此这种效应尤为显著。 

第二种效应与晶格振动有关。电荷载流子通常会将能量传递给晶格振动，最终以热量形式散失。然而，在钙钛矿中，部分振动能量可在耗散前重新传回载流子，从而进一步减缓冷却过程。 

研究人员将这两种效应同时纳入计算机模拟后，载流子的冷却时间明显延长。 

在一个特性与锡基钙钛矿碘化亚锡铯（CsSnI₃）相近的模型中，模拟条件下拟合得到的冷却时间由约4皮秒延长至约470皮秒。 

研究人员将这一结果与此前针对CsSnI₃的实验测量结果进行了比较。此前实验在不同条件下测得的慢冷却分量约为636皮秒。该模型并非用于精确复现实验，但相近的时间尺度表明，这两种机制可以解释在锡基钙钛矿中观察到的大部分异常缓慢冷却现象。 

模拟还显示，在延长的冷却过程中，载流子确实保持高能状态，而不是仅因低能态已被占据而显得能量较高。 

提高太阳能电池效率的潜在途径 

这些发现有助于解释为何锡基钙钛矿被视为未来热载流子太阳能电池的潜在材料。 

研究人员指出，较低的载流子有效质量、较软的晶格和较高的材料纯度，是有助于减缓载流子冷却的重要材料特征。基于这些特征，他们特别指出，锡基钙钛矿是值得进一步研究的有前景的候选材料。 

目前，这项研究仍处于基础研究阶段，尚未展示可实际工作的热载流子太阳能电池。如何在高能载流子冷却之前将其高效提取，仍是需要解决的关键问题。 

不过，该研究揭示了锡基钙钛矿能够长时间保留能量的原因，有助于进一步认识锡在提高未来太阳能技术能量利用效率方面可能发挥的作用。 

如需了解新兴锡技术的更多进展，请访问锡谷（Tin Valley）。

网址： https://www.tinvalley.org

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