科學研究：壓力下的太陽能電池材料性能更佳


溴離子與碘離子在鈣鈦礦中的分離會導致非均質的能量分布，就如同圖中的波峰和波穀所描繪的那樣。在高壓下，溴離子和碘離子可以保持均勻分布，使得鈣鈦礦保持了作為太陽能電池材料的有利性質。圖片來源：THISillustrations.com
由矽和鈣鈦礦，尤其是含有混合鹵素（如碘和溴）的鈣鈦礦變體製成的電陽能電池比傳統的矽太陽能電池效率更高，造價也更低。這是因為它們能將太陽能中的更多部分轉換為電能。然而，鈣鈦礦會在光的影響下分解，目前仍然不能應用於商業用途。通過取代鈣鈦礦結構中的陽離子（帶正電的離子）可以提高材料的穩定性。來自荷蘭原子和分子物理學研究所（AMOLF）的研究人員們揭示了這種穩定性的提升來源於結構的壓縮，其效果與在材料上施加大小可觀的壓力相當。他們的研究結果已經發表於《細胞報告：物理科學》（Cell Reports Physical Science）雜誌。
化學直覺
鈣鈦礦由一個鉛離子與在其周圍的鹵素離子（如溴離子和碘離子）構成。這形成了一種形如牢籠的三維結構，牢籠中填充有陽離子，例如甲基銨離子。問題在於，當這種結構受到光照後，材料中的不同區域會出現溴離子或者碘離子的集中，這樣一來鈣鈦礦結構中溴碘混合的優勢便不複存在了，光譜中的一大部分能量將會轉化為熱能而非電能。
Eline Hutter是一位經驗豐富的化學家，直至今年為止她都是AMOLF的研究員。她想到對材料施加高壓或許可以防止這種鹵素離子的同時分離現象。“那時我也不清楚具體這是為什麽。我把它稱之為化學直覺。”

圖片來源：Pixabay
具有挑戰的實驗
位於AMOLF的混合太陽能電池小組之前開發出來一套對這種研究十分有用的裝置：一台能在極高壓力下測量鈣鈦礦中的電子性質的瞬態吸收光譜儀（TAS）。“世界上再沒有其他能與之媲美的裝置，能將瞬態吸收光譜儀與壓力容器組合在一起”，該小組的領導人Bruno Ehrler說到，“但我一開始對Eline的想法表示懷疑，因為我們不得不做的實驗看上去太過有挑戰性了。”
Eline Hutter與她的同事Loreta Muscarella一起，使用這套裝置測量了鈣鈦礦材料在光照後發生了什麽。“如果沒有給材料施加壓力，我們觀察到了溴與碘的分離。而在3000巴的壓力下，我們發現分離現象不再發生。”
切實的解決方案
這一結果證實了Hutter的猜想，那就是這種材料中的自由空間，以及與之相應的壓力在鹵素的分離中發揮了關鍵作用。雖然要製造一塊被施加了如此高壓的太陽能電池是不現實的，然而也有一個切實的解決方案，Hutter解釋到，“如果我們將鈣鈦礦牢籠結構中的陽離子替換為小一些的陽離子，比如像銫離子，那麽就會發生一種叫做化學收縮的現象。整個結構會縮水，就像土壤幹燥後收縮一樣。這種效果跟對材料施加高壓產生的效果完全一樣。”

圖片來源：Pixabay
Hutter和她的同事接下來使用瞬態吸收光譜儀驗證了在這種化學收縮的鈣鈦礦中，溴碘分離的現象的確不再發生了。這樣一來，他們證明了理論中的一個被人們所遺忘其實極為重要的方麵：材料的體積以前並沒有被納入計算當中。Hutter說到，“在我看來，這項研究有意思的地方就在於內部壓力和外部壓力之間的聯係。”
這是幫助鈣鈦礦結構穩定的一項重要發現，Ehrler說到，“過去的研究重點都放在了動力學上，即通過減慢離子的運動來減緩其分離。現在我們證實了通過增高壓強來改變熱力學條件，即便離子運動得一樣快，但是溴和碘的分離卻不在能量上有利了，因此這種分離現象也就不發生了。”
翻譯：馬新雨
審校：郝豪
引進來源：荷蘭原子和分子物理學研究所
引進鏈接：https://phys.org/news/2020-07-solar-cell-material-pressure.html


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