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压力下的太阳能电池材料性能更佳

来源:环球科学

溴离子与碘离子在钙钛矿中的分离会导致非均质的能量分布,就如同图中的波峰和波谷所描绘的那样。在高压下,溴离子和碘离子可以保持均匀分布,使得钙钛矿保持了作为太阳能电池材料的有利性质。图片来源:THISillustrations.com
由硅和钙钛矿,尤其是含有混合卤素(如碘和溴)的钙钛矿变体制成的电阳能电池比传统的硅太阳能电池效率更高,造价也更低。这是因为它们能将太阳能中的更多部分转换为电能。然而,钙钛矿会在光的影响下分解,目前仍然不能应用于商业用途。通过取代钙钛矿结构中的阳离子(带正电的离子)可以提高材料的稳定性。来自荷兰原子和分子物理学研究所(AMOLF)的研究人员们揭示了这种稳定性的提升来源于结构的压缩,其效果与在材料上施加大小可观的压力相当。他们的研究结果已经发表于《细胞报告:物理科学》(Cell Reports Physical Science)杂志。
化学直觉
钙钛矿由一个铅离子与在其周围的卤素离子(如溴离子和碘离子)构成。这形成了一种形如牢笼的三维结构,牢笼中填充有阳离子,例如甲基铵离子。问题在于,当这种结构受到光照后,材料中的不同区域会出现溴离子或者碘离子的集中,这样一来钙钛矿结构中溴碘混合的优势便不复存在了,光谱中的一大部分能量将会转化为热能而非电能。
Eline Hutter是一位经验丰富的化学家,直至今年为止她都是AMOLF的研究员。她想到对材料施加高压或许可以防止这种卤素离子的同时分离现象。“那时我也不清楚具体这是为什么。我把它称之为化学直觉。”
图片来源:Pixabay
具有挑战的实验
位于AMOLF的混合太阳能电池小组之前开发出来一套对这种研究十分有用的装置:一台能在极高压力下测量钙钛矿中的电子性质的瞬态吸收光谱仪(TAS)。“世界上再没有其他能与之媲美的装置,能将瞬态吸收光谱仪与压力容器组合在一起”,该小组的领导人Bruno Ehrler说到,“但我一开始对Eline的想法表示怀疑,因为我们不得不做的实验看上去太过有挑战性了。”
Eline Hutter与她的同事Loreta Muscarella一起,使用这套装置测量了钙钛矿材料在光照后发生了什么。“如果没有给材料施加压力,我们观察到了溴与碘的分离。而在3000巴的压力下,我们发现分离现象不再发生。”
切实的解决方案
这一结果证实了Hutter的猜想,那就是这种材料中的自由空间,以及与之相应的压力在卤素的分离中发挥了关键作用。虽然要制造一块被施加了如此高压的太阳能电池是不现实的,然而也有一个切实的解决方案,Hutter解释到,“如果我们将钙钛矿牢笼结构中的阳离子替换为小一些的阳离子,比如像铯离子,那么就会发生一种叫做化学收缩的现象。整个结构会缩水,就像土壤干燥后收缩一样。这种效果跟对材料施加高压产生的效果完全一样。”
图片来源:Pixabay
Hutter和她的同事接下来使用瞬态吸收光谱仪验证了在这种化学收缩的钙钛矿中,溴碘分离的现象的确不再发生了。这样一来,他们证明了理论中的一个被人们所遗忘其实极为重要的方面:材料的体积以前并没有被纳入计算当中。Hutter说到,“在我看来,这项研究有意思的地方就在于内部压力和外部压力之间的联系。”
这是帮助钙钛矿结构稳定的一项重要发现,Ehrler说到,“过去的研究重点都放在了动力学上,即通过减慢离子的运动来减缓其分离。现在我们证实了通过增高压强来改变热力学条件,即便离子运动得一样快,但是溴和碘的分离却不在能量上有利了,因此这种分离现象也就不发生了。”
翻译:马新雨
审校:郝豪
引进来源:荷兰原子和分子物理学研究所
引进链接:https://phys.org/news/2020-07-solar-cell-material-pressure.html 
本文来自:环球科学
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