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18%!美科学家从钙钛矿材料下手 大幅提高光伏电池效率
2021.11.24 15:42 财联社 黄君芝

财联社(上海,编辑 黄君芝)讯,据报道,美国莱斯大学(Rice University)的工程师们近日设计钙钛矿太阳能电池方面取得阶段性成功,不仅提高了电池转换效率,同时保持了它们抵抗环境的能力。

研究人员们发现,阳光本身会收缩二维钙钛矿中原子层之间的空间,足以将材料的光伏转换效率提高多达18%。尽管该领域经常取得进步,但一般而言都是以较低个位数来衡量的,因此这个成果是一个惊人的飞跃。

“在10年的时间里,钙钛矿的效率从3%飙升到了25%。其他半导体花了大约60年才达到这一水平。这就是我们如此兴奋的原因。”他们补充道。该研究成果已于近期发表在了《自然纳米技术》杂志上。

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钙钛矿是一种具有立方状晶格的化合物,是一种高效的光收集器。多年来,人们已经逐渐知道了它们的潜力,但它们带来了一个难题:材料具备将阳光转化为能源的能力,但并不稳定,阳光和水分会使它们降解。

化学和生物分子工程以及材料科学和纳米工程副教授Aditya Mohite说,“太阳能电池技术预计可以工作20到25年。我们已经研究了很多年,并将继续研究块状钙钛矿,它们非常高效,但不那么稳定。相比之下,2D钙钛矿具有巨大的稳定性,但效率不够高,不能用在屋顶上。”

“最大的问题是要在不损害稳定性的情况下,提高它们效率。”他补充说。

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在这项新研究中,他们发现,在某些二维钙钛矿中,阳光有效地缩小了原子之间的空间,提高了它们携带电流的能力。

Mohite说,“我们发现,当你点燃材料时,你有点像海绵一样挤压它,把两层粘合在一起,以增强电荷在那个方向的传输。”研究人员发现,在碘化物顶部和铅底部之间放置一层有机阳离子可以增强两层之间的相互作用。

“这项工作对研究激发态和准粒子具有重要意义,在这些粒子中,正电荷位于一层,负电荷位于另一层,它们可以相互交换。这些被称为激子,它们可能有独特的性质。”他补充说,“这种效应让我们有机会理解和调整这些基本光物质相互作用,而不需要创造复杂的异质结构,比如堆叠的二维金属二硫族化合物。”

简单来说,实验结果表明,在相当于一个太阳强度的太阳模拟器下10分钟后,二维钙钛矿沿的长度收缩0.4%,从上到下共收缩约1%。他们证明,在5个太阳强度下,1分钟内就能看到这种效果。

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“这听起来不像是很多,但晶格间距1%的收缩会引起电子流的大幅增强,”莱斯大学研究生、联合首席作者Wenbin Li说,“我们的研究表明,这种材料的电子传导能力提高了三倍。”

与此同时,即使加热到80摄氏度(176华氏度),晶格的性质使这种材料不易降解。研究人员还发现,一旦关闭光源,晶格很快就会恢复到正常的结构。

研究人员解释称,2D钙钛矿的主要吸引力之一是它们通常具有充当湿度屏障的有机原子,具有热稳定性并解决离子迁移问题。3D钙钛矿容易出现热和光不稳定性,因此研究人员开始将2D层放在块状钙钛矿之上,看看他们是否可以充分利用两者的优点。

下一步,研究人员将通过设计阳离子和界面来获得超过20%的效率。这将改变钙钛矿领域的一切,因为届时人们将开始将2D钙钛矿用于2D钙钛矿/硅和2D/3D钙钛矿串联,这可以使效率接近30%。这将使其商业化更具有吸引力。

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