萊斯大學(xué)的工程師在設(shè)計由半導(dǎo)體鈣鈦礦制成的原子級薄太陽能電池方面取得了新的基準(zhǔn)，提高了它們的效率，同時保持了它們抵御環(huán)境的能力。萊斯大學(xué)喬治R布朗工程學(xué)院的AdityaMohite實驗室發(fā)現(xiàn)，陽光本身收縮了二維鈣鈦礦中原子層之間的空間，足以將材料的光伏效率提高多達(dá)18%，這在一個經(jīng)常取得進(jìn)展的領(lǐng)域中是一個驚人的飛躍。以百分之幾的分?jǐn)?shù)來衡量。

“10年來，鈣鈦礦的效率從大約3%飆升至25%以上，”Mohite說。“其他半導(dǎo)體需要大約60年的時間才能實現(xiàn)。這就是我們?nèi)绱伺d奮的原因。”

鈣鈦礦是具有立方體晶格的化合物，是高效的光收集器。它們的潛力已為人所知多年，但它們存在一個難題：它們擅長將陽光轉(zhuǎn)化為能量，但陽光和水分會使它們降解。

“太陽能電池技術(shù)預(yù)計可以使用20到25年，”化學(xué)和生物分子工程以及材料科學(xué)和納米工程副教授Mohite說。“我們已經(jīng)工作了很多年，并繼續(xù)使用非常有效但不太穩(wěn)定的大塊鈣鈦礦。相比之下，二維鈣鈦礦具有極大的穩(wěn)定性，但效率不足以放在屋頂上。

“最大的問題是在不影響穩(wěn)定性的情況下使它們高效，”他說。

普渡大學(xué)和西北大學(xué)、能源部國家實驗室洛斯阿拉莫斯、阿貢和布魯克海文以及位于法國雷恩的電子與數(shù)字技術(shù)研究所(INSA)的萊斯工程師及其合作者發(fā)現(xiàn)，在某些二維鈣鈦礦中，陽光有效地收縮原子之間的空間，提高它們攜帶電流的能力。

“我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)你點燃材料時，你會像海綿一樣擠壓它，并將各層聚集在一起，以增強(qiáng)朝那個方向的電荷傳輸，”莫希特說。研究人員發(fā)現(xiàn)，在頂部的碘化物和底部的鉛之間放置一層有機(jī)陽離子可以增強(qiáng)各層之間的相互作用。

“這項工作對研究激發(fā)態(tài)和準(zhǔn)粒子具有重要意義，其中一層正電荷位于另一層，負(fù)電荷位于另一層，它們可以相互交談，”莫希特說。“這些被稱為激子，它們可能具有獨特的特性。

萊斯大學(xué)的研究生SirajSidhik準(zhǔn)備用固化成二維鈣鈦礦的化合物旋涂基材。Rice工程師發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦有望用于高效、堅固的太陽能電池。圖片來源：JeffFitlow/萊斯大學(xué)

“這種效應(yīng)使我們有機(jī)會了解和調(diào)整這些基本的光物質(zhì)相互作用，而無需創(chuàng)建復(fù)雜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，如堆疊的2D過渡金屬二硫?qū)倩铮?rdquo;他說。

法國的同事通過計算機(jī)模型證實了實驗。INSA物理學(xué)教授JackyEven說：“這項研究提供了一個獨特的機(jī)會，可以將最先進(jìn)的abinitio模擬技術(shù)、使用大規(guī)模國家同步加速器設(shè)施的材料研究以及運行中的太陽能電池的原位表征相結(jié)合。”“該論文首次描述了滲流現(xiàn)象如何突然釋放鈣鈦礦材料中的充電電流。”

兩個結(jié)果都表明，在一個太陽強(qiáng)度下在太陽模擬器下10分鐘后，二維鈣鈦礦沿其長度收縮0.4%，從上到下收縮約1%。他們證明，在5個太陽強(qiáng)度下，1分鐘內(nèi)即可看到效果。

萊斯大學(xué)研究生李文斌準(zhǔn)備在太陽能模擬器中進(jìn)行測試的2D鈣鈦礦太陽能電池。Rice工程師提高了由二維鈣鈦礦制成的電池的效率，同時保持了它們的韌性。圖片來源：JeffFitlow/萊斯大學(xué)

“這聽起來并不多，但是晶格間距的1%收縮會引起電子流的大幅增強(qiáng)，”萊斯研究生和共同主要作者李文斌說。“我們的研究表明，材料的電子傳導(dǎo)增加了三倍。”

同時，晶格的性質(zhì)使材料不易降解，即使加熱到80攝氏度(176華氏度)也是如此。研究人員還發(fā)現(xiàn)，一旦關(guān)掉燈，晶格就會迅速松弛回其正常配置。

“2D鈣鈦礦的主要吸引力之一是它們通常具有充當(dāng)濕度屏障的有機(jī)原子，具有熱穩(wěn)定性并解決離子遷移問題，”研究生和共同主要作者SirajSidhik說。“3D鈣鈦礦容易出現(xiàn)熱和光不穩(wěn)定性，因此研究人員開始將2D層放在塊狀鈣鈦礦之上，看看他們是否可以充分利用兩者。

“我們認(rèn)為，讓我們只轉(zhuǎn)向2D并使其高效，”他說。

為了觀察材料的收縮，該團(tuán)隊利用了能源部(DOE)科學(xué)辦公室的兩個用戶設(shè)施：能源部布魯克海文國家實驗室的國家同步加速器光源II和能源部阿貢國家實驗室的先進(jìn)光子源(APS)實驗室。

該論文的合著者、阿貢物理學(xué)家JoeStrzalka使用APS的超亮X射線實時捕捉材料中的微小結(jié)構(gòu)變化。APS光束線8-ID-E處的靈敏儀器允許進(jìn)行“操作”研究，這意味著在設(shè)備在正常操作條件下經(jīng)歷溫度或環(huán)境受控變化時進(jìn)行的研究。在這種情況下，Strzalka和他的同事將太陽能電池中的光敏材料暴露在模擬陽光下，同時保持溫度恒定，并觀察到原子水平上的微小收縮。

作為對照實驗，Strzalka和他的合著者還將房間保持黑暗并提高溫度，觀察到相反的效果——材料膨脹。這表明是光本身，而不是它產(chǎn)生的熱量引起了轉(zhuǎn)變。

“對于這樣的變化，重要的是進(jìn)行操作研究，”Strzalka說。“就像您的機(jī)械師想要運行您的引擎以查看其中發(fā)生的事情一樣，我們本質(zhì)上想要拍攝這種轉(zhuǎn)變的視頻，而不是單個快照。諸如APS之類的設(shè)施允許我們這樣做。”

Strzalka指出，APS正在進(jìn)行重大升級，將其X射線的亮度提高多達(dá)500倍。他說，當(dāng)它完成時，更亮的光束和更快、更銳利的探測器將提高科學(xué)家以更高的靈敏度發(fā)現(xiàn)這些變化的能力。

這可以幫助Rice團(tuán)隊調(diào)整材料以獲得更好的性能。“我們正在通過設(shè)計陽離子和界面來獲得超過20%的效率，”Sidhik說。“這將改變鈣鈦礦領(lǐng)域的一切，因為屆時人們將開始將2D鈣鈦礦用于2D鈣鈦礦/硅和2D/3D鈣鈦礦串聯(lián)，這可以使效率接近30%。這將使其商業(yè)化具有吸引力。”

該論文的共同作者是萊斯大學(xué)研究生JinHou、HaoZhang和AustinFehr，本科生JosephEssman，交換生王亞非和共同通訊作者，Mohite實驗室資深科學(xué)家Jean-ChristopheBlancon;INSA的BoubacarTraore、ClaudineKatan;普渡大學(xué)的RezaAsadpour和MuhammadAlam;西北大學(xué)的JustinHoffman、IoannisSpanopoulos和MercouriKanatzidis;洛斯阿拉莫斯的JaredCrochet和布魯克海文的EstherTsai。