钙钛矿电池:如何突破其稳定性难关?

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  :钙钛矿一种能够将阳光转化为电能的人造晶体——是如何被稳定下来的?KU Leuven团队围绕这项议题进行了研究。结果表明,将钙钛矿晶体变成黑色,能够使它们吸收阳光。这项研究发表在《科学》杂志上。

  太阳能电池的发展分为三代:

  1)第一代太阳能电池主要指单晶硅和多晶硅太阳能电池,其在实验室的光电转换效率已经分别达到25%和20.4%;

  2)第二代太阳能电池主要包括非晶硅薄膜电池和多晶硅薄膜电池。

  3)第三代太阳能电池主要指具有高转换效率的一些新概念电池, 如染料敏化电池、量子点电池以及有机太阳能电池等。

  钙钛矿太阳能电池作为第三代太阳能电池,利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料,在收集太阳能方面表现出特别的潜力,能够比硅太阳能电池提供更高的转换效率。

  稳定性

  “决定太阳能电池质量的三大支柱是:价格、稳定性和性能。钙钛矿在性能和价格上得分很高,但它们的稳定性仍然是一个主要问题,”鲁汶大学中心滤膜朱利安·斯蒂尔博士说到。一些最有前途的钙钛矿,如三碘化铯铅(CsPbI3),在室温下非常不稳定。这个时候,晶体中的原子不形成钙钛矿结构,它们呈现黄色。为了让这些晶体有效地吸收阳光并将其转化为电能,晶体应该处于一种黑色的钙钛矿状态。

  

  在它们的黄色阶段,晶体非常柔软,相当于一盘果冻

件下稳定它们,但在室温下,黑色钙钛矿原子需要重新洗牌、改变结构,最终把晶体变成黄色。”

  斯蒂尔和一个国际科学家团队一起发现,将钙钛矿太阳能电池薄膜绑定到一块玻璃上,通过将这些薄膜加热到330℃,可以使钙钛矿膨胀并粘附在玻璃上,再将薄膜迅速冷却到室温,使它们保持所需的黑色形式。这个过程的原理是固定晶体中的原子,限制它们的运动。

  研究过程

  “在我们的研究中,我们选择了CsPbI3,因为它的性能非常高,”斯蒂尔解释说。“此外,钙钛矿是最不稳定的钙钛矿类型之一,这意味着它对我们描述的方法很敏感,应该转化为其他不稳定的钙钛矿。”

  研究中使用的大部分数据是在欧洲同步加速器辐射设施中收集的。为了理解分子尺度上的实验观察结果,根特大学分子模型中心(CMM)的同事们通过对钙钛矿黑色和黄色相的理论模拟来支持这一发现。

  计算结果是必要的,以解释为什么当将黑相作为薄膜固定到玻璃基板上时能够使其稳定。

  

  钙钛矿电池

  这种结合到底是如何发生的,仍然是个谜,尽管有一些假设。“通常,我们会用原子分辨率的显微镜直接观察。然而,用钙钛矿是不可能做到这一点的,因为用这么高分辨率的成像仪器很难观察到钙钛矿,因为钙钛矿太软了,在普通探测器相对较高的能量下,它们很容易解体。”

  斯蒂尔说:“了解这一机理将有助于进一步研究,最终开发出使用纯钙钛矿晶体的太阳能电池板。”

  “由于处理基于钙钛矿的太阳能电池的入门水平相对较低,它们对在更有限的基础设施中运营的发展中国家的人们非常有益。”此外,钙钛矿还可用于led、光电传感器、晶体管、x射线探测器等。

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