微米和纳米科技材料

美科学家首次观察到杂化钙钛矿晶体内纳米尺度的变化!

导读

最近,美国加州大学圣地亚哥分校的研究团队首次观察到杂化钙钛矿晶体内纳米尺度的变化,它将有利于低成本、高效率的太阳能电池的开发。

关键字

太阳能、钙钛矿、材料、电池

背景

钙钛矿(perovskite )材料是一类有着与钛酸钙(CaTiO3)相同晶体结构的材料。钙钛矿材料结构式一般为ABX3,其中A为有机阳离子, B为金属离子, X为卤素基团。该结构中, 金属B原子位于立方晶胞体心处, 卤素X原子位于立方体面心, 有机阳离子A位于立方体顶点位置。

美科学家首次观察到杂化钙钛矿晶体内纳米尺度的变化!

(图片来源:参考资料【3】)

钙钛矿结构稳定, 有利于空穴的扩散迁移,因此也具备了许多优秀的物理化学特性,例如电催化性、吸光性等等。钙钛矿材料的应用前景非常广阔,例如光通信、数据存储、太赫兹通信以及太阳能电池领域。目前,学术界对于钙钛矿太阳能电池的研究非常多,期望也很大。新型钙钛矿太阳能电池投入市场以及大规模应用指日可待,并有望引领未来太阳能电池市场新的走向。

与其他的前沿创新技术一样,钙钛矿太阳能电池如果要走向市场和商用,其中有三个关键因素值得重点考虑,它们分别是:制造成本、稳定性、效率。对于稳定性和效率相关的创新研究,笔者之前的文章中介绍过:日本冲绳科学技术大学院大学、美国斯坦福大学的研究团队、韩国蔚山国立科技研究所(UNIST)的创新研究。

美科学家首次观察到杂化钙钛矿晶体内纳米尺度的变化!

(图片来源:UNIST)

创新

今天,我要介绍的创新成果也是和钙钛矿电池的效率以及成本相关。最近,美国加州大学圣地亚哥分校的研究团队首次观察到杂化钙钛矿晶体内纳米尺度的变化,它将有利于低成本、高效率的太阳能电池的开发。

美科学家首次观察到杂化钙钛矿晶体内纳米尺度的变化!

(图片来源:AMOLF)

加州大学圣迭戈分校可持续能源中心的成员,纳米工程系教授 David Fenning 领导的科研团队包含了来自荷兰 AMOLF 研究所和美国阿贡国家实验室的研究人员。研究人员将研究成果发表于《先进材料》杂志。

技术

研究人员使用X线束和激光,研究了未来颇具前景的新型太阳能电池材料,也称为“杂化钙钛矿”,运行期间纳米尺度上的行为方式。他们的实验显示,当施加电压时,离子在材料内部迁移,创造出的区域不再能够有效地将光线转化为电力。

Fenning 表示:

“离子迁移破坏了光线吸收材料的性能。限制这种离子迁移将成为提高太阳能电池质量的关键。”

杂化钙钛矿是由无机和有机离子混合而成的晶体材料。他们对于制造下一代太阳能电池来说是一种非常有前景的材料,因为它们制造成本低,将光线转化电力的效率较高。

然而,杂化钙钛矿不是十分稳定,这也增加了研究难度。用于研究太阳能电池的显微技术经常最终损伤杂化钙钛矿,而且不能越过其表面成像。

现在,加州大学圣迭戈分校的科研团队展示出一项称为“纳米探针X射线荧光”的技术,能够深入探测杂化钙钛矿材料的内部而不会损伤它们。Fenning 表示:

“这是一种观察这些材料内部以及发现错误的新窗口。”

研究人员研究了一种杂化钙钛矿称为“甲基胺溴化铅”,它含有带有负电荷的溴离子。与其他的杂化钙钛矿一样,它的晶体结构含有许多的空穴,或者失踪的原子。当施加电压时,这些空穴一直被怀疑是让离子在材料内部快速移动的原因。

研究人员首次利用纳米探针X射线荧光测量晶体,创造出材料内部高分辨的原子地图。这个地图显示,当有电压施加时,溴离子会从负电荷区域向正电荷区域迁移。

接下来,研究人员将激光照射在晶体上,测量晶体中不同区域的光致发光特性,即材料能够发出由激光激发的光线。一个好的太阳能电池材料的发光效果也很好,也就是说,光致发光越好,太阳能电池的效率越高。在那些具有更高溴浓度的区域,比那些缺乏溴离子的区域,光致发光要高180%。

价值

Fenning 表示:

“我们观察溴离子在几分钟的迁移,看到富含溴离子的区域,有望成为更好的太阳能电池,而缺少溴离子的区域,性能会发生退化。”

Fenning 及其团队现在正在探索在甲基胺溴化铅以及其他杂化钙钛矿材料中,限制溴离子迁移的方式。研究人员称,一种潜在的选择就是:在不同条件下生长杂化钙钛矿晶体,最小化空穴的数目,限制晶体结构中的离子迁移。

参考资料

【1】https://jacobsschool.ucsd.edu/news/news_releases/release.sfe?id=2376

【2】Yanqi Luo, Parisa Khoram, Sarah Brittman, Zhuoying Zhu, Barry Lai, Shyue Ping Ong, Erik C. Garnett, David P. Fenning. Direct Observation of Halide Migration and its Effect on the Photoluminescence of Methylammonium Lead Bromide Perovskite Single Crystals. Advanced Materials, 2017; 29 (43): 1703451 DOI: 10.1002/adma.201703451

【3】Liu, M.Z., Johnston, M.B. and Snaith, H.J. (2013) Efficient Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells by vaPour Deposition. Nature, 501, 395-398. httpss://doi.org/10.1038/nature12509

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