太陽能電池材料在壓力下表現更好

2021-01-13 全國能源信息平臺

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北極星太陽能光伏網訊:由矽和鈣鈦礦組合生產的太陽能電池，特別是含有碘和溴等混合滷化物的變體，比傳統的矽太陽能電池更高效、更便宜，因為它們能將更大比例的太陽光轉化為電能。然而，鈣鈦礦在光的影響下會降解，因此它們還不能用於商業應用。在結構中替代陽離子（帶正電的離子）可以提高材料的穩定性。來自AMOLF的研究人員現在揭示了這種改善源自於對結構的壓縮，相當於對其施加相當大的壓力。他們已將結果發表在《Cell Reports Physical Science》上。

鈣鈦礦由鉛離子和碘、溴離子等滷化物離子包圍組成。這就形成了一個3-D結構，其籠子中充滿了陽離子，如甲基銨。問題是，如果該結構被照亮，材料中會出現單獨的區域，主要是碘離子或主要是溴離子。這樣一來，鈣鈦礦中碘-溴混合物的優勢就喪失了：大部分的光譜被轉化為熱能而不是電能。

Eline Hutter是一位化學家，直到今年才成為AMOLF的研究員，他認為通過將材料置於高壓下，可以防止滷化物的自發分離。"當時，我並不確切知道為什麼。我稱它為化學直覺。"

AMOLF的混合太陽能電池小組之前開發了一種在這種情況下非常有用的設置：瞬態吸收光譜儀(TAS)，可以在非常高的壓力下測量鈣鈦礦的電子特性。"世界上沒有其他類似的設置，將TAS與壓力傳感器結合起來，"小組負責人Bruno Ehrler說。"但我最初對Eline的想法持懷疑態度，部分原因是我們要做的實驗似乎太有挑戰性。"

與她的同事Loreta Muscarella一起，Eline Hutter使用這種設置來測量材料被照亮後的情況。"如果材料上沒有壓力，我們觀察到溴和碘的分離。在3000巴的壓力下，我們看到分離不再發生。"

這一結果證實了Hutter的假設，即材料中的自由體積，以及相應的壓力，對滷化物的分離起著至關重要的作用。在如此高的壓力下生產太陽能電池是不切實際的。然而，有一個實用的解決方案，Hutter解釋說。"如果我們用較小的陽離子（如銫）替換鈣鈦礦籠中的陽離子，就會發生所謂的化學收縮，整個結構都會收縮。這種效果和讓材料承受高壓完全一樣。"

Hutter和她的同事隨後用TAS證明，在這種被化學壓縮的鈣鈦礦中，不再發生碘和溴的分離。Hutter說，他們藉此證明了理論中被遺忘的一個重要方面：材料的體積之前被排除在計算之外。"在我看來，這項研究之所以如此有趣，是因為外部壓力和內部壓力之間的聯繫。"

這是一個使鈣鈦礦穩定的至關重要的發現，Ehrler說。"以往焦點大多集中在動力學上：延遲離子的運動以減緩分離。現在我們已經證明，增加壓力，改變了熱力學：離子移動的速度一樣快，但碘和溴的分離不再是能量上的有利條件。所以，這種分離不會再發生了。"

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