《自然》子刊:高压改变钙钛矿相位,将推动第三代太阳能电池应用

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钙钛矿是一种可以将阳光转化为电能的材料,其效率不亚于今天的商用硅太阳能电池,而且有可能更便宜、更容易制造。

但是,在这种材料可以采用的四种可能的原子配置或相位中,有三种在常温和普通环境下有效但不稳定,它们很快就会回到第四种相位,但第四种相位无法应用与太阳能电池。

现在,斯坦福大学和美国能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员找到了一个新的解决方案:将无效相位的钙钛矿放入金刚石砧座中,在高温下挤压。这种处理将它的原子结构变得有效,即使在室温和相对潮湿的空气中也能保持这种状态。

该研究成果已发表在《自然通讯》(Nature Communications)上。

研究人员表示“这是第一项利用压力来控制这种稳定性的研究,开辟了许多可能性;”“现在已经找到了制备这种材料的最佳方法,有可能将其扩大到工业生产,并使用同样的方法来操纵其他钙钛矿相。”

钙钛矿得名于一种具有相同原子结构的天然矿物。科学家研究了一种由碘、铅和铯组合而成的卤化铅钙钛矿。

这种材料的一个相,被称为黄色相,不能用于太阳能电池。然而,科学家不久前发现,如果以某种方式加以处理,使其变成一种黑色的钙钛矿相,在将阳光转化为电能方面非常有效。

但是,这些黑色相在结构上也不稳定,并且容易迅速退回到无用的状态。此外,它们只能在高温下高效运行。

以前曾有过用化学、应变或温度来稳定黑相的尝试,但只能在没有水分的环境中实现。

在此次的新研究中,研究人员设计了一种装置,在这种装置中,黄色相晶体被挤压在钻石砧座上。压力仍然存在,晶体被加热到450摄氏度,然后冷却。

研究人员表示,在选用适合压力和温度的情况下,晶体从黄色变成黑色,并在压力取消后保持黑色,能抵抗潮湿空气,并在室温下保持稳定,有效时间达10至30天或更长时间。

使晶体变黑并保持这种状态所需的压力约为大气压的1000至6000倍,约为人造金刚石行业常规压力的十分之一。

研究人员表示,进一步研究目标之一是将该发现运用到工业中,并扩大工艺规模,使其进入制造领域。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-20745-5

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