通过原子尺度的重新设计可以改善下一代太阳能电池

2019-10-22 10:44:09

研究人员发现了导致新的太阳能电池在空气中分解的确切机制,为解决方案铺平了道路。太阳能电池利用来自太阳的能量,为化石燃料等不可再生能源提供替代方案。但是,它们面临着昂贵的制造过程和效率低下的挑战-将大量的阳光转化为可用的能量。

被称为有机卤化钙钛矿的光吸收材料被用于新型太阳能电池,这种材料已显示出巨大的前景,因为它们比传统的由硅制成的太阳能电池更灵活且制造成本更低。

然而,钙钛矿细胞在自然条件下会迅速降解,在几天之内大大降低其性能。这是它们当前未被广泛使用的原因之一。

此前,帝国理工大学化学系的科学家领导的一个研究小组发现这种分解是由于形成了攻击钙钛矿材料的“超氧化物”。当撞击细胞的光释放电子时,就会形成这些超氧化物,这些电子会与空气中的氧气发生反应。

现在,在《自然通讯》上发表的一项研究中,研究小组确定了超氧化物如何形成以及如何侵蚀钙钛矿材料,并提出了可能的解决方案。

研究小组与巴斯大学的Christopher Eames博士和Saiful Islam教授合作,发现钙钛矿结构中通常被碘化物分子占据的空间有助于形成超氧化物。尽管碘化物是钙钛矿材料本身的组成部分,但仍有碘化物缺失的缺陷。然后将这些空位用于形成超氧化物。

研究小组发现,制造后向材料中添加额外的碘确实可以提高稳定性,但更持久的解决方案是将碘缺陷进行工程设计。

这项新研究的主要作者,帝国理工化学系的尼古拉斯·阿里斯蒂多说:“在确定碘化物缺陷在产生超氧化物中的作用后,我们可以通过用额外的碘化物离子填充空位来成功地改善材料的稳定性。通过控制存在的缺陷的类型和密度来优化材料以增强稳定性的新方法。”

帝国理工大学化学系的首席研究员Saif Haque博士补充说:“我们现在提供了一种从原子尺度上理解该过程的途径,并允许设计具有更高稳定性的设备。”

当前,保护钙钛矿细胞免受空气和光降解的唯一方法是将其包裹在玻璃中。但是,钙钛矿型太阳能电池由设计用于各种环境的柔性材料制成,因此玻璃外壳严重限制了其功能。

Haque博士说:“玻璃包裹物限制了移动,增加了电池的重量和成本。改进钙钛矿电池材料本身是最好的解决方案。”

该小组希望接下来在实际环境中测试电池的稳定性。电池将暴露在氧气和湿气的共同作用下,在更相关的情况下测试电池。

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