超薄二维钙钛矿，组合太阳能电池效率有望提升到30%

莱斯实验室发现二维钙钛矿化合物具有挑战笨重产品的合适材料

莱斯大学的工程师在设计由半导体钙钛矿制成的原子级薄太阳能电池方面达到了一个新的基准，提高了电池的效率，同时保持了它们抵御环境的能力。

莱斯大学George R. Brown工程学院的 Aditya Mohite 实验室发现，阳光本身收缩了二维钙钛矿中原子层之间的空间，足以将该材料的光伏效率提高18%，这是一个惊人的飞跃，该领域的进展通常以0.5%来衡量。

“10 年来，钙钛矿的效率从大约 3% 飙升至 25% 以上，”Mohite 说。 “其他半导体需要大约 60 年的时间才能实现。这就是我们如此兴奋的原因。”这项研究发表在 《自然纳米技术》（Nature Nanotechnology）上。

“太阳能电池技术预计可以使用 20 到 25 年，”化学和生物分子工程以及材料科学和纳米工程副教授 Mohite 说。 “我们已经工作了很多年，并继续使用非常有效但不稳定的大块钙钛矿。相比之下，二维钙钛矿具有极大的稳定性，但效率不足以建造屋顶上。

“最大的问题是在不影响稳定性的情况下提升效率，”他说。

普渡大学和西北大学、美国能源部国家实验室Los Alamos、Argonne 和Brookhaven以及位于法国雷恩的电子与数字技术研究所 (INSA) 的莱斯工程师及其合作者发现，在某些二维钙钛矿中，阳光有效地缩小了原子之间的空间，提高它们携带电流的能力。

“我们发现，当你点燃这种材料时，你会像海绵一样挤压它，并将各层聚集在一起，以增强朝那个方向的电荷传输，”Mohite说。研究人员发现，在顶部的碘化物和底部的铅之间放置一层有机阳离子可以增强各层之间的相互作用。

“这项工作对研究激发态和准粒子具有重要意义，其中一层正电荷和负电荷位于另一层，它们可以相互交谈，”Mohite说。 “这些被称为激子，它们可能具有独特的特性。

“这种效应使我们有机会了解和调整这些基本的光物质相互作用，而无需创建复杂的异质结构，如堆叠的二维过渡金属二硫属化物，”他说。

法国的同事通过计算机模型证实了实验。“这项研究提供了一个独特的机会，可以将最先进的 ab initio 模拟技术、使用大规模国家同步加速器设施的材料研究以及运行中的太阳能电池的原位表征结合起来。”INSA 物理学教授 Jacky Even 说，“该论文首次描述了渗流现象如何突然释放钙钛矿材料中的充电电流。”

两个结果都表明，在一个太阳强度下的太阳模拟器下 10 分钟后，二维钙钛矿沿其长度收缩 0.4%，从上到下收缩约 1%。他们证明了在五个太阳强度下可以在 1 分钟内看到效果。

“这听起来并不多，但晶格间距的 1% 收缩会引起电子流的大幅增强，”莱斯研究生和共同主要作者Wenbin Li说。 “我们的研究表明，这种材料的电子传导能力增加了三倍。”

同时，晶格的性质使材料不易降解，即使加热到 80 摄氏度（176 华氏度）也是如此。研究人员还发现，一旦光线关闭，晶格很快就会恢复到正常的结构。

“2D 钙钛矿的主要吸引力之一是，它们通常具有充当湿度屏障的有机原子，具有热稳定性并解决离子迁移问题，”研究生和共同主要作者 Siraj Sidhik 说，“3D 钙钛矿容易出现热和光不稳定性，因此研究人员开始在块状钙钛矿的顶部放置 2D 层，看看他们是否可以充分利用两者。

“我们认为，让我们只转向 2D 并使其高效，”他说。

为了观察材料的收缩，该团队利用了美国能源部 (DOE) 科学办公室的两个用户设施：美国能源部Brookhaven国家实验室的国家同步加速器光源 II 和美国能源部Argonne国家实验室的先进光子源 (APS)。

该论文的合著者、Argonne物理学家 Joe Strzalka 使用 APS 的超亮 X 射线实时捕捉材料中的微小结构变化。 APS 光束线 8-ID-E 处的灵敏仪器允许进行“操作”研究，指在正常操作条件下器件正在经历受控的温度或环境变化时进行的操作。在这种情况下，Strzalka 和他的同事将太阳能电池中的光敏材料暴露在模拟阳光下，同时保持温度恒定，并观察到原子水平上的微小收缩。

作为对照实验，Strzalka 和他的合著者还将房间保持黑暗并提高温度，观察到相反的效果——材料膨胀。这表明是光本身，而不是它产生的热量引起了转变。

“对于这样的变化，重要的是进行操作研究，”Strzalka 说，“就像您的机械师希望运行您的引擎以查看引擎内部发生的情况一样，我们本质上希望拍摄此转换的视频，而不是一张快照。 APS 等设施使我们能够做到这一点。”

Strzalka 指出，APS 正在进行重大升级，将其 X 射线的亮度提高多达 500 倍。他说，当它完成时，更亮的光束和更快、更锐利的探测器将提高科学家以更高的灵敏度发现这些变化的能力。

这可以帮助 Rice 团队调整材料以获得更好的性能。 “通过设计阳离子和界面，我们的效率将达到20%以上。”Sidhik 说，“这将改变钙钛矿领域的一切，因为那时人们将开始使用 2D 钙钛矿来制作2D 钙钛矿/硅和 2D/3D 钙钛矿串联，这可以使效率接近 30%。这将使其对商业化具有吸引力。”

参考文献

Li, W., Sidhik, S., Traore, B. et al. Light-activated interlayer contraction in two-dimensional perovskites for high-efficiency solar cells. Nat. Nanotechnol. (2021).

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