作者:莱斯大学迈克·威廉姆斯
钙钛矿化合物的二维涂层是高效太阳能电池的基础，这种电池可能经得起环境的磨损，与早期的钙钛矿不同
莱斯大学的工程师将2D钙钛矿的光伏效率提高了18%
学分:杰夫·菲特洛/莱斯大学 莱斯大学的工程师们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，提高了它们的效率，同时保持了它们抵抗环境的能力
赖斯的乔治·R·阿迪雅·莫希特实验室
布朗工程学院发现，阳光本身收缩了2D钙钛矿中原子层之间的空间，足以将材料的光伏效率提高18%，这在一个进步通常以0.1%的分数来衡量的领域中是一个惊人的飞跃
“10年来，钙钛矿的效率从大约3%飙升到25%以上，”莫希特说
“其他半导体花了大约60年时间才实现这一目标
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》杂志上
钙钛矿是具有立方晶格的化合物，是高效的光收集器
它们的潜力多年来一直为人所知，但它们提出了一个难题:它们擅长将阳光转化为能量，但阳光和水分会使它们退化
“太阳能电池技术预计将工作20至25年，”化学和生物分子工程、材料科学和纳米工程副教授莫希特说
“我们已经工作了很多年，并继续使用效率很高但不稳定的块状钙钛矿
相比之下，2D钙钛矿有巨大的稳定性，但效率不足以安装在屋顶上
“最大的问题是在不影响稳定性的情况下提高效率，”他说
美国普渡大学和西北大学的赖斯工程师及其合作者
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美国能源部下属的洛斯阿拉莫斯、阿尔贡和布鲁克海文国家实验室以及位于法国雷恩的电子和数字技术研究所(INSA)发现，在某些2D钙钛矿中，阳光有效地缩小了原子之间的空间，提高了它们携带电流的能力
莫希特说:“我们发现，当你点燃材料时，你会像挤压海绵一样挤压它，并使各层聚集在一起，以增强该方向的电荷传输。”
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层与层之间的相互作用
莫希特说:“这项工作对研究激发态和准粒子具有重要意义，在激发态和准粒子中，正电荷位于一层，负电荷位于另一层，它们可以相互对话。”
“这些被称为激子，它们可能具有独特的性质
莱斯大学的研究生西拉伊·西希克准备用一种能固化成2D钙钛矿的化合物旋涂基底
赖斯的工程师发现钙钛矿显示出高效、坚固的太阳能电池的前景
学分:杰夫·菲特洛/莱斯大学 他说:“这种效应让我们有机会理解和调整这些基本的光-物质相互作用，而不会产生复杂的异质结构，如堆叠的2D过渡金属二元化合物。”
法国同事用计算机模型证实了这些实验
“这项研究提供了一个独特的机会，将最先进的从头模拟技术、使用大规模国家同步加速器设施的材料研究和运行中的太阳能电池的原位表征结合起来，”INSA大学物理学教授Jacky Even说
该论文首次描述了逾渗现象如何突然释放钙钛矿材料中的电荷电流
" 这两个结果都表明，在太阳模拟器下以一个太阳的强度照射10分钟后，2D钙钛矿收缩了0
4%沿着它们的长度，大约1%从上到下
他们证明，在五个太阳强度下，1分钟就能看到效果
莱斯大学研究生李文斌准备在太阳能模拟器中测试2D钙钛矿太阳能电池
水稻工程师提高了二维钙钛矿电池的效率，同时保持了它们的韧性
学分:杰夫·菲特洛/莱斯大学 赖斯研究生和合著者李文斌说:“听起来不多，但晶格间距收缩1%会导致电子流大幅增强。”
“我们的研究表明，这种材料的电子传导增加了三倍
" 同时，晶格的性质使得这种材料不太容易降解，即使加热到80摄氏度(176华氏度)
研究人员还发现，一旦灯关闭，晶格会迅速松弛回到正常状态
研究生和合著者西拉伊·西希克说:“2D钙钛矿的主要吸引力之一是它们通常含有有机原子，这些有机原子可以阻挡湿气，具有热稳定性并能解决离子迁移问题。”
“三维钙钛矿容易受热和受光不稳定，因此研究人员开始将2D层放在大块钙钛矿上面，看看它们是否能同时发挥两者的优势
“我们想，让我们只搬到2D，让它更有效率，”他说
为了观察物质在行动中的收缩，研究小组使用了两个U
S
能源部科学办公室用户设施:能源部布鲁克海文国家实验室的国家同步加速器光源二和能源部阿尔贡国家实验室的高级光子源
阿尔贡物理学家乔·斯特尔扎卡是该论文的合著者，他利用APS的超亮X射线实时捕捉材料中微小的结构变化
APS的束线8-ID-E处的敏感仪器允许进行“操作性”研究，即在正常操作条件下，当设备经历受控的温度或环境变化时进行的研究
在这种情况下，Strzalka和他的同事将太阳能电池的光活性材料暴露在模拟阳光下，同时保持温度恒定，并在原子水平上观察到微小的收缩
作为对照实验，Strzalka和他的合作者还保持室内黑暗并提高温度，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，导致了这种转变
“对于像这样的变化，做操作性研究是很重要的，”Strzalka说
“就像您的机械师希望运行您的引擎以查看其内部发生的情况一样，我们希望从本质上拍下这一转变的视频，而不是一张快照
像APS这样的设施允许我们这样做
" Strzalka指出，APS正在进行重大升级，它将把X射线的亮度提高500倍
他说，当它完成时，更亮的光束和更快、更清晰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
这可能有助于赖斯团队调整材料以获得更好的表现
西希克说:“我们正在通过设计阳离子和界面来获得超过20%的效率。”
“这将改变钙钛矿领域的一切，因为那时人们将开始将2D钙钛矿用于2D钙钛矿/硅和2D/三维钙钛矿串联，这可以使效率接近30%
这将使它具有商业化的吸引力
" 论文的合著者有莱斯研究生金厚、张浩和奥斯汀·菲尔、本科生约瑟夫·埃斯曼、交换生王亚飞和合著者让-克里斯托夫·布兰康，后者是莫希特实验室的高级科学家；INSA的布巴卡尔·特拉奥雷和克劳丁·卡坦；普渡的礼萨·阿萨普尔和穆罕默德·阿拉姆；西北大学的贾斯汀·霍夫曼、约安尼斯·斯潘诺普洛斯和默库里·卡纳奇迪斯；洛斯阿拉莫斯的杰瑞德·钩针和布鲁克海文的埃丝特·蔡
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