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太阳能电池材料在压力下表现更好

光伏系统工程  来源:百家号科技报告与资讯    2020/7/16 16:53:50  我要投稿  

北极星太阳能光伏网讯:由硅和钙钛矿组合生产的太阳能电池,特别是含有碘和溴等混合卤化物的变体,比传统的硅太阳能电池更高效、更便宜,因为它们能将更大比例的太阳光转化为电能。然而,钙钛矿在光的影响下会降解,因此它们还不能用于商业应用。在结构中替代阳离子(带正电的离子)可以提高材料的稳定性。来自AMOLF的研究人员现在揭示了这种改善源自于对结构的压缩,相当于对其施加相当大的压力。他们已将结果发表在《Cell Reports Physical Science》上。

钙钛矿由铅离子和碘、溴离子等卤化物离子包围组成。这就形成了一个3-D结构,其笼子中充满了阳离子,如甲基铵。问题是,如果该结构被照亮,材料中会出现单独的区域,主要是碘离子或主要是溴离子。这样一来,钙钛矿中碘-溴混合物的优势就丧失了:大部分的光谱被转化为热能而不是电能。

Eline Hutter是一位化学家,直到今年才成为AMOLF的研究员,他认为通过将材料置于高压下,可以防止卤化物的自发分离。"当时,我并不确切知道为什么。我称它为化学直觉。"

AMOLF的混合太阳能电池小组之前开发了一种在这种情况下非常有用的设置:瞬态吸收光谱仪(TAS),可以在非常高的压力下测量钙钛矿的电子特性。"世界上没有其他类似的设置,将TAS与压力传感器结合起来,"小组负责人Bruno Ehrler说。"但我最初对Eline的想法持怀疑态度,部分原因是我们要做的实验似乎太有挑战性。"

与她的同事Loreta Muscarella一起,Eline Hutter使用这种设置来测量材料被照亮后的情况。"如果材料上没有压力,我们观察到溴和碘的分离。在3000巴的压力下,我们看到分离不再发生。"

这一结果证实了Hutter的假设,即材料中的自由体积,以及相应的压力,对卤化物的分离起着至关重要的作用。在如此高的压力下生产太阳能电池是不切实际的。然而,有一个实用的解决方案,Hutter解释说。"如果我们用较小的阳离子(如铯)替换钙钛矿笼中的阳离子,就会发生所谓的化学收缩,整个结构都会收缩。这种效果和让材料承受高压完全一样。"

Hutter和她的同事随后用TAS证明,在这种被化学压缩的钙钛矿中,不再发生碘和溴的分离。Hutter说,他们借此证明了理论中被遗忘的一个重要方面:材料的体积之前被排除在计算之外。"在我看来,这项研究之所以如此有趣,是因为外部压力和内部压力之间的联系。"

这是一个使钙钛矿稳定的至关重要的发现,Ehrler说。"以往焦点大多集中在动力学上:延迟离子的运动以减缓分离。现在我们已经证明,增加压力,改变了热力学:离子移动的速度一样快,但碘和溴的分离不再是能量上的有利条件。所以,这种分离不会再发生了。"

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