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【前沿】太阳能产业新星:二维钙钛矿晶体

导读: 发展迅速的钙钛矿电池,近几年来一直是太阳能产业的研究热点。而这次美国的研究人员利用自旋铸造技术制备了二维钙钛矿晶体,它又会给我们带来怎样的惊喜?

  发展迅速的钙钛矿电池,近几年来一直是太阳能产业的研究热点。而这次美国的研究人员利用自旋铸造技术制备了二维钙钛矿晶体,它又会给我们带来怎样的惊喜?

  下图为用二维钙钛矿材料制作三种大面积太阳能电池:左边的是室温铸造薄膜;中间偏上的是有问题的带隙样本;右边的是具有最佳能量性能的热铸试样。

  为了使钙钛矿晶体更实用于新兴的太阳能产业,来自洛斯阿拉莫斯国家实验室、西北大学和莱斯大学的研究人员调整了晶体的生产方法,开发出一种新型的二维层状钙钛矿,它具有优异的稳定性,且其功率转换效率是之前的三倍多。莱斯大学的一位研究生Hsinhan Tsai解释说,晶体取向二十多年来一直是个谜,这是我们第一次在实际铸造过程中翻转晶体,这是我们的重大突破,使用自旋铸造技术来创建层状晶体,垂直于材料的电子流未被有机阳离子封锁。Hsinhan Tsai在洛斯阿拉莫斯国家实验室协助高级研究员Aditya Mohite工作,并领导一个合作项目,该项目成果定于本周发布在Nature杂志上。

  本研究是洛斯阿拉莫斯任务的一部分,包括为加强国家能源安全而开展的多学科研究,该任务还包括探索可替代能源来源。关于二维材料的制造,最初在西北地区,化学系教授Mercouri G. Kanatzidis、Charles E. 、Emma H. Morrison 和Costas Stoumpos博士已探索一个有趣的二维材料,将膜定位于垂直衬底的位置。 Kanatzidis解释说,二维钙钛矿在钙钛矿研究中开辟了一个新的维度,并为新一代稳定的太阳能电池器件和新的光电器件如发光二极管、激光器和传感器等开辟了新的方向。

  Kanatzidis解释说,这是协同作用的结果,我们的研究机构之间有着非常强大的协同作用,西北大学的材料设计团队设计并制备了该材料的高质量样本,试验表明该材料是非常有前景的。生产太阳能电池的阿拉莫斯团队有着高超的技能,优化电池使其具有更好的性能。在阿拉莫斯团队中,论文的另一个合著者Wanyi Nie表示,与现有的三维有机-无机晶体相比,新的二维钙钛矿在恒定的光照且暴露在空气中时显得更高效、更稳定。

  目前面临的挑战是找到比三维钙钛矿性能更好的材料,它需要有优良的光学性能、优于之前材料20%的功率转化效率。但在光、湿度和加热条件下进行的应力测试中,如何提高材料的性能,仍是需要解决的问题。洛斯阿拉莫斯团队之前的工作,对三维钙钛矿效率恢复进行了深入观察。在没有光照时会超时一点,而转向更具弹性的二维材料时,会得出更好的结果。

  在之前的二维晶体研究中,由于晶体的平面排列,当有机阳离子击中层之间的空隙时,电池的转化效率下降到4.73%,因此西北大学失去了研究的动力。但应用热铸造技术来创建更为线形、垂直排列的二维材料时,似乎消除了层之间的空隙,目前的转化效率达到12%。本项目的首席研究员Mohite说道,我们尝试生产单晶薄膜,不仅与光电子器件有关,而且和高效发光的应用程序也有很大关系,单晶薄膜使我们在当前的技术条件下有更强的竞争力。

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