钛矿材料中的光致晶格膨胀可治愈体积和界面缺陷从而增强了光电性能

2019-10-15 17:47:13

有些材料就像人。让他们在阳光下放松一会儿,他们的表现会更好。赖斯大学和洛斯阿拉莫斯国家实验室领导的合作发现,钙钛矿化合物被认为是一种有效的材料,可以收集阳光并将其转化为能量。

洛斯·阿拉莫斯(Los Alamos)的资深科学家Aditya Mohite领导的研究人员很快将成为莱斯大学的教授。也是洛斯阿拉莫斯大学的科学家,研究员,莱斯大学研究生的辛汉(戴夫·蔡)的Wanyi Nie发现,恒定的照明使钙钛矿晶体晶格中的应变松弛,从而使其在各个方向上均匀扩展。

膨胀使材料的晶面对齐,并消除整体中的缺陷。这继而减少了触点处的能量屏障,使电子更容易在系统中移动并将能量传递给设备。

这不仅提高了太阳能电池的功率转换效率,而且还没有损害其光稳定性,在100毫瓦/立方厘米的连续一日光照射下,在超过1,500个小时的运行中,其退化程度可忽略不计。

研究人员称,这项研究将于本周在《科学》杂志上发表,代表了朝着稳定的钙钛矿基太阳能电池迈出的重要一步,该技术用于下一代太阳能发电和太阳能燃料技术。

Mohite说:“混合钙钛矿晶体结构的通式为AMX3,其中A为阳离子,M为二价金属,X为卤化物。” “这是一种极性半导体,其直接带隙类似于砷化镓。

他说:“这使钙钛矿的吸收系数比砷化镓(太阳能电池中常见的半导体)大近一个数量级,”他说。“这意味着300纳米厚的钙钛矿薄膜足以吸收所有入射的阳光。相比之下,硅是一种间接的带隙材料,吸收相同量的阳光需要的材料多1,000倍。”

Mohite说,研究人员长期以来一直在寻找在阳光下和周围环境条件下稳定的高效钙钛矿杂化材料。

他说:“通过这项工作,我们展示了在实现这两个目标方面的重大进展。” “我们的立方晶格中基于三阳离子的钙钛矿在100摄氏度(华氏212度)以上时表现出出色的温度稳定性。”

研究人员模拟并制作了30多个具有钙钛矿状结构的基于碘化物的半导体薄膜:原子排列成规则的行和列的晶体立方体。他们测量了它们传输电流的能力,发现当浸入光时,钙钛矿和电极之间的高能垒随着原子间键的松弛而消失。

他们很惊讶地看到,在灯熄灭后,屏障仍保持了30分钟的熄灭状态。由于在实验过程中将薄膜保持在恒定温度下,研究人员还能够消除热量,这可能是晶格膨胀的原因。

测量显示,“冠军”混合钙钛矿设备将其功率转换效率从18.5%提高到了20.5%。平均而言,所有电池的效率都提高了19%以上。Mohite表示,研究中使用的钙钛矿距离单结太阳能电池的最大可能效率只有7%。

他说,电池的效率几乎是所有其他溶液处理光伏技术的两倍,比商用硅基光伏技术低5%。在最大功率点连续运行800小时后,它们保持了其峰值效率的85%,并且它们的电流密度在整个1,500小时内均未显示出光致退化。

Mohite说:“这项工作将加速获得稳定的钙钛矿型太阳能电池所需的科学理解。” “它也为发现钙钛矿晶格的动态结构性质或柔软性所产生的相和新兴行为开辟了新的方向。”

首席研究员表示,这项研究超出了光伏技术,因为它首次将光触发的结构动力学与基本电子传输过程联系在一起。他们预计这将导致利用光,力或其他外部触发因素来定制钙钛矿基材料特性的技术。

该论文的合著者是研究科学家Bo Chen,化学和生物分子工程以及材料科学和纳米工程的副教授Rafael Verduzco,以及本杰明M.和Mary的材料科学与纳米工程学系主任Pulickel Ajayan。赖斯所有的格林伍德·安德森工程教授和化学教授;普渡大学(Purdue University)的Jai N. Gupta电气与计算机工程教授,研究生Reza Asadpour和Muhammad Ashraf Alam;Los Alamos的研究科学家Jean-Christophe Blancon,Sergei Tretiak和Wanyi Nie;西北大学化学研究助理教授Constantinos Stoumpos和Mercouri Kanatzidis,Charles E.和Emma H. Morrison教授;Jacky Even和Olivier Durand,

这项工作得到了能源部能源效率和可再生能源办公室及其基础能源科学办公室的支持。

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