Discovery為新一代太陽能電池鋪平了道路

由KU Leuven首次領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究首次解釋了一種有前景的鈣鈦礦 - 人造晶體可以將陽光轉(zhuǎn)化為電能 - 如何穩(wěn)定下來。結(jié)果，晶體變黑，使它們能夠吸收太陽光。這對(duì)于能夠在易于制造且高效的新太陽能電池板中使用它們是必要的。該研究發(fā)表在“ 科學(xué)”雜志上。

鈣鈦礦是具有許多應(yīng)用的半導(dǎo)體材料。他們表現(xiàn)出特別的收獲諾太陽能。目前，大多數(shù)太陽能電池由硅晶體制成，硅晶體是一種相對(duì)簡(jiǎn)單有效的材料，可用于此目的。然而，基于鈣鈦礦的器件提供比硅更高的轉(zhuǎn)換效率。唯一的問題是：一些最有希望的鈣鈦礦，即三碘化鉛(CsPbI 3)，在室溫下非常不穩(wěn)定。在這些條件下，它們具有黃色，因?yàn)榫w中的原子不形成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。為了使晶體有效地吸收陽光并將其轉(zhuǎn)化為電能，它們應(yīng)該處于黑色的鈣鈦礦狀態(tài)，并保持這種狀態(tài)。

“硅形成一種非常堅(jiān)固的剛性晶體。如果按壓它，它就不會(huì)改變它的形狀。另一方面，鈣鈦礦更柔軟，更具延展性，”KU魯汶膜中心的Julian Steele博士解釋說?？沙掷m(xù)解決方案的分離，吸附，催化和光譜學(xué)(cMACS)。“我們可以在各種實(shí)驗(yàn)室條件下穩(wěn)定它們，但在室溫下，黑色鈣鈦礦原子確實(shí)需要重新洗牌，改變結(jié)構(gòu)，最終將晶體變成黃色。”

斯蒂爾與國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)一起發(fā)現(xiàn)，通過將鈣鈦礦太陽能電池的薄膜粘合到一塊玻璃上，細(xì)胞可以獲得并保持其所需的黑色狀態(tài)。將薄膜加熱至330攝氏度的溫度，使鈣鈦礦膨脹并粘附在玻璃上。加熱后，將薄膜快速冷卻至室溫。這個(gè)過程固定晶體中的原子，限制它們的運(yùn)動(dòng)，使它們保持所需的黑色形狀。

“有三個(gè)支柱決定了太陽能電池的質(zhì)量：價(jià)格，穩(wěn)定性和性能。鈣鈦礦在性能和價(jià)格方面得分很高，但它們的穩(wěn)定性仍然是一個(gè)主要問題，”斯蒂爾說。幾年來，科學(xué)家們已經(jīng)觀察到鈣鈦礦可以在加熱后保持黑度，但目前還不清楚為什么。“在我們的研究中，我們選擇了CsPbI 3，因?yàn)樗男阅芊浅８撸?rdquo;Steel解釋道。“此外，它是最不穩(wěn)定的鈣鈦礦類型之一，這意味著它對(duì)我們描述的方法很敏感，應(yīng)該轉(zhuǎn)化為其他不穩(wěn)定的鈣鈦礦。”

該研究中使用的大部分?jǐn)?shù)據(jù)都是在歐洲同步輻射裝置收集的。為了理解分子尺度上的實(shí)驗(yàn)觀察，根特大學(xué)分子模擬中心(CMM)的同事通過理論模擬鈣鈦礦的黑色和黃色相來支持這一發(fā)現(xiàn)。計(jì)算結(jié)果對(duì)于合理化將黑相固定在玻璃基板上作為薄膜時(shí)的穩(wěn)定性是必要的。

盡管存在假設(shè)，但如何完全結(jié)合仍然是個(gè)謎。“通常情況下，我們會(huì)選擇具有原子分辨率的顯微鏡并直接看一下。然而，這對(duì)于鈣鈦礦來說是不可能的，因?yàn)樗鼈兒茈y用這種高分辨率成像儀器觀察，因?yàn)樗鼈兎浅Ｈ彳洸⑶胰菀自谙旅娣蛛x。普通探頭能量相對(duì)較高。“

“了解這種機(jī)制如何工作將有助于進(jìn)一步研究，最終開發(fā)出使用純鈣鈦礦晶體的太陽能電池板，”斯蒂爾說。“由于加工基于鈣鈦礦的太陽能電池的入門級(jí)??別相對(duì)較低，因此對(duì)于在更有限的基礎(chǔ)設(shè)施中運(yùn)營(yíng)的發(fā)展中的人們來說，它們非常有益。” 此外，鈣鈦礦可用于LED，光電傳感器，晶體管，X射線探測(cè)器等。