超薄太阳能电池？

超薄太阳能电池？

超薄太阳能电池改进：二维钙钛矿化合物具有挑战大体积产品的合适材料。

莱斯大学的工程师在设计由半导体钙钛矿制成的原子级薄太阳能电池方面取得了新的基准，提高了它们的效率，同时保持了它们承受环境的能力。

莱斯大学乔治·R·布朗工程学院的 Aditya Mohite 实验室发现，阳光使二维钙钛矿中原子层之间的空间缩小，足以使材料的光伏效率提高多达 18%，这是频繁的进展. 在该领域取得了惊人的飞跃，并以百分比衡量。

“10 年内，钙钛矿的效率从 3% 左右飙升至 25% 以上，”Mohite 说。 “其他半导体大约需要 60 年才能实现。这就是我们如此兴奋的原因。”

钙钛矿是一种具有立方晶格的化合物，是一种高效的集光器。 它们的潜力已为人所知多年，但它们有一个问题：它们可以将阳光转化为能量，但阳光和水分会使它们降解。

“太阳能电池技术预计将持续 20 到 25 年，”化学和生物分子工程以及材料科学和纳米工程副教授 Mohite 说。 “我们多年来一直在努力，并继续使用非常有效但不太稳定的大型钙钛矿。相比之下，二维钙钛矿具有出色的稳定性，但效率不足以放置在屋顶上。

“最大的问题是在不影响稳定性的情况下提高它们的效率。”
来自普渡大学和西北大学、美国能源部国家实验室的洛斯阿拉莫斯、阿贡和布鲁克海文以及法国雷恩的电子与数字技术研究所 (INSA) 的莱斯工程师及其合作者及其合作者发现，在在一些二维钙钛矿中，阳光有效地缩小了原子之间的空间，增加了它们携带电流的能力。

“我们发现，当你点燃材料时，你会像海绵一样挤压它，并将这些层聚集在一起，以增强该方向的电荷转移，”Mocht 说。 研究人员发现，在顶部的碘化物和底部的铅之间放置一层有机阳离子可以增强各层之间的相互作用。

“这项工作对于激发态和准粒子的研究具有重要意义，其中一层正电荷在另一层，负电荷在另一层，它们可以相互交谈，”莫赫特说。 “这些被称为激子，它们可能具有独特的特性。

“这种效应使我们能够理解和调整这些基本的光物质相互作用，而不会产生复杂的异质结构，例如堆叠的二维过渡金属二硫化物，”他说。

法国的同事用计算机模型证实了这个实验。 INSA 物理学教授 Jacky Even 说：“这项研究提供了一个独特的机会，可以将最先进的从头模拟技术、使用大型国家同步加速器设施的材料研究以及运行中的太阳能电池的原位表征结合起来。结合。” “本文首次描述了渗流现象如何突然释放钙钛矿材料中的充电电流。”

两个结果都表明，在太阳模拟器中以太阳强度暴露 10 分钟后，二维钙钛矿沿其长度方向收缩 0.4%，从上到下收缩约 1%。 他们证明了这种效果可以在五种太阳强度下在 1 分钟内看到。

“这听起来并不多，但晶格间距缩小 1% 会导致电子流大幅增加，”莱斯大学的研究生、合著者李文斌说。 “我们的研究表明，这种材料的电子传导性增加了三倍。”

同时，晶格的性质使材料即使在加热到 80 摄氏度（176 华氏度）时也能抵抗降解。 研究人员还发现，一旦关掉灯，格子就会迅速恢复到标准配置。

“二维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，”研究生和共同主要作者 Siraj Sidhik 说。 “2D 钙钛矿容易出现热和光不稳定性，因此研究人员开始在巨大的钙钛矿上放置 3D 层，看看它们是否可以充分利用两者。

“我们认为，让我们切换到 2D 并使其高效，”他说。

为了观察材料的收缩，该团队使用了美国能源部 (DOE) 科学办公室的两个用户设施：美国能源部布鲁克海文国家实验室的国家同步加速器光源 II 和美国能源部先进国家实验室美国能源部的阿贡国家实验室。 光子源 (APS) 实验室。

该论文的合著者、阿贡物理学家 Joe Strzalka 使用 APS 的超亮 X 射线实时捕捉材料的微小结构变化。 APS 光束线 8-ID-E 的敏感仪器允许进行“操作”研究，这意味着当设备在正常操作条件下经历温度或环境的受控变化时进行的研究。 在这种情况下，Strzalka 和他的同事将太阳能电池中的感光材料暴露在模拟的阳光下，同时保持温度恒定，并观察到原子水平的微小收缩。

作为对照实验，Strzalka 和他的合著者让房间保持黑暗，提高温度，并观察到相反的效果——材料膨胀。 这表明光本身，而不是它产生的热量，导致了这种转变。

“对于这样的变化，进行运筹学很重要，”Strzalka 说。 “就像您的机械师想要运行您的引擎以查看其中发生的情况一样，我们本质上想要拍摄此转换的视频，而不是单个快照。APS 等设施允许我们这样做。”

Strzalka 指出，APS 正在进行重大升级，以将其 X 射线的亮度提高多达 500 倍。 他说，当它完成后，更亮的光束和更快、更锐利的探测器将提高科学家以更高灵敏度探测这些变化的能力。

这可以帮助 Rice 团队调整材料以获得更好的性能。 “我们正在设计阳离子和界面，以实现超过 20% 的效率，”Sidhik 说。 “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 钙钛矿系列，这可以带来接近 30% 的效率。这将使其商业化具有吸引力。”