科學(xué)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(huì)導(dǎo)致非均質(zhì)的能量分布，就如同圖中的波峰和波谷所描繪的那樣。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(zhì)。圖片來源：THISillustrations.com
由硅和鈣鈦礦，尤其是含有混合鹵素（如碘和溴）的鈣鈦礦變體制成的電陽能電池比傳統(tǒng)的硅太陽能電池效率更高，造價(jià)也更低。這是因?yàn)樗鼈兡軐⑻柲苤械母嗖糠洲D(zhuǎn)換為電能。然而，鈣鈦礦會(huì)在光的影響下分解，目前仍然不能應(yīng)用于商業(yè)用途。通過取代鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中的陽離子（帶正電的離子）可以提高材料的穩(wěn)定性。來自荷蘭原子和分子物理學(xué)研究所（AMOLF）的研究人員們揭示了這種穩(wěn)定性的提升來源于結(jié)構(gòu)的壓縮，其效果與在材料上施加大小可觀的壓力相當(dāng)。他們的研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表于《細(xì)胞報(bào)告：物理科學(xué)》（Cell Reports Physical Science）雜志。
化學(xué)直覺
鈣鈦礦由一個(gè)鉛離子與在其周圍的鹵素離子（如溴離子和碘離子）構(gòu)成。這形成了一種形如牢籠的三維結(jié)構(gòu)，牢籠中填充有陽離子，例如甲基銨離子。問題在于，當(dāng)這種結(jié)構(gòu)受到光照后，材料中的不同區(qū)域會(huì)出現(xiàn)溴離子或者碘離子的集中，這樣一來鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中溴碘混合的優(yōu)勢(shì)便不復(fù)存在了，光譜中的一大部分能量將會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能而非電能。
Eline Hutter是一位經(jīng)驗(yàn)豐富的化學(xué)家，直至今年為止她都是AMOLF的研究員。她想到對(duì)材料施加高壓或許可以防止這種鹵素離子的同時(shí)分離現(xiàn)象?！澳菚r(shí)我也不清楚具體這是為什么。我把它稱之為化學(xué)直覺?！?br>
圖片來源：Pixabay
具有挑戰(zhàn)的實(shí)驗(yàn)
位于AMOLF的混合太陽能電池小組之前開發(fā)出來一套對(duì)這種研究十分有用的裝置：一臺(tái)能在極高壓力下測(cè)量鈣鈦礦中的電子性質(zhì)的瞬態(tài)吸收光譜儀（TAS）?！笆澜缟显?zèng)]有其他能與之媲美的裝置，能將瞬態(tài)吸收光譜儀與壓力容器組合在一起”，該小組的領(lǐng)導(dǎo)人Bruno Ehrler說到，“但我一開始對(duì)Eline的想法表示懷疑，因?yàn)槲覀儾坏貌蛔龅膶?shí)驗(yàn)看上去太過有挑戰(zhàn)性了?！?br> Eline Hutter與她的同事Loreta Muscarella一起，使用這套裝置測(cè)量了鈣鈦礦材料在光照后發(fā)生了什么?！叭绻麤]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(fā)現(xiàn)分離現(xiàn)象不再發(fā)生。”
切實(shí)的解決方案
這一結(jié)果證實(shí)了Hutter的猜想，那就是這種材料中的自由空間，以及與之相應(yīng)的壓力在鹵素的分離中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。雖然要制造一塊被施加了如此高壓的太陽能電池是不現(xiàn)實(shí)的，然而也有一個(gè)切實(shí)的解決方案，Hutter解釋到，“如果我們將鈣鈦礦牢籠結(jié)構(gòu)中的陽離子替換為小一些的陽離子，比如像銫離子，那么就會(huì)發(fā)生一種叫做化學(xué)收縮的現(xiàn)象。整個(gè)結(jié)構(gòu)會(huì)縮水，就像土壤干燥后收縮一樣。這種效果跟對(duì)材料施加高壓產(chǎn)生的效果完全一樣?！?br>
圖片來源：Pixabay
Hutter和她的同事接下來使用瞬態(tài)吸收光譜儀驗(yàn)證了在這種化學(xué)收縮的鈣鈦礦中，溴碘分離的現(xiàn)象的確不再發(fā)生了。這樣一來，他們證明了理論中的一個(gè)被人們所遺忘其實(shí)極為重要的方面：材料的體積以前并沒有被納入計(jì)算當(dāng)中。Hutter說到，“在我看來，這項(xiàng)研究有意思的地方就在于內(nèi)部壓力和外部壓力之間的聯(lián)系?！?br> 這是幫助鈣鈦礦結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的一項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)，Ehrler說到，“過去的研究重點(diǎn)都放在了動(dòng)力學(xué)上，即通過減慢離子的運(yùn)動(dòng)來減緩其分離。現(xiàn)在我們證實(shí)了通過增高壓強(qiáng)來改變熱力學(xué)條件，即便離子運(yùn)動(dòng)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(xiàn)象也就不發(fā)生了?！?br> 翻譯：馬新雨
審校：郝豪
引進(jìn)來源：荷蘭原子和分子物理學(xué)研究所
引進(jìn)鏈接：https://phys.org/news/2020-07-solar-cell-material-pressure.html


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