2D钙钛矿化合物具有挑战笨重产品的正确材料

莱斯大学的工程师在设计由半导体钙钛矿制成的原子级薄太阳能电池方面取得了新的基准，提高了它们的效率，同时保持了它们抵御环境的能力。莱斯大学乔治R布朗工程学院的AdityaMohite实验室发现，阳光本身收缩了二维钙钛矿中原子层之间的空间，足以将材料的光伏效率提高多达18%，这在一个经常取得进展的领域中是一个惊人的飞跃。以百分之几的分数来衡量。

“10年来，钙钛矿的效率从大约3%飙升至25%以上，”Mohite说。“其他半导体需要大约60年的时间才能实现。这就是我们如此兴奋的原因。”

钙钛矿是具有立方体晶格的化合物，是高效的光收集器。它们的潜力已为人所知多年，但它们存在一个难题：它们擅长将阳光转化为能量，但阳光和水分会使它们降解。

“太阳能电池技术预计可以使用20到25年，”化学和生物分子工程以及材料科学和纳米工程副教授Mohite说。“我们已经工作了很多年，并继续使用非常有效但不太稳定的大块钙钛矿。相比之下，二维钙钛矿具有极大的稳定性，但效率不足以放在屋顶上。

“最大的问题是在不影响稳定性的情况下使它们高效，”他说。

普渡大学和西北大学、能源部国家实验室洛斯阿拉莫斯、阿贡和布鲁克海文以及位于法国雷恩的电子与数字技术研究所(INSA)的莱斯工程师及其合作者发现，在某些二维钙钛矿中，阳光有效地收缩原子之间的空间，提高它们携带电流的能力。

“我们发现，当你点燃材料时，你会像海绵一样挤压它，并将各层聚集在一起，以增强朝那个方向的电荷传输，”莫希特说。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各层之间的相互作用。

“这项工作对研究激发态和准粒子具有重要意义，其中一层正电荷位于另一层，负电荷位于另一层，它们可以相互交谈，”莫希特说。“这些被称为激子，它们可能具有独特的特性。

莱斯大学的研究生SirajSidhik准备用固化成二维钙钛矿的化合物旋涂基材。Rice工程师发现钙钛矿有望用于高效、坚固的太阳能电池。图片来源：JeffFitlow/莱斯大学

“这种效应使我们有机会了解和调整这些基本的光物质相互作用，而无需创建复杂的异质结构，如堆叠的2D过渡金属二硫属化物，”他说。

法国的同事通过计算机模型证实了实验。INSA物理学教授JackyEven说：“这项研究提供了一个独特的机会，可以将最先进的abinitio模拟技术、使用大规模国家同步加速器设施的材料研究以及运行中的太阳能电池的原位表征相结合。”“该论文首次描述了渗流现象如何突然释放钙钛矿材料中的充电电流。”

两个结果都表明，在一个太阳强度下在太阳模拟器下10分钟后，二维钙钛矿沿其长度收缩0.4%，从上到下收缩约1%。他们证明，在5个太阳强度下，1分钟内即可看到效果。

莱斯大学研究生李文斌准备在太阳能模拟器中进行测试的2D钙钛矿太阳能电池。Rice工程师提高了由二维钙钛矿制成的电池的效率，同时保持了它们的韧性。图片来源：JeffFitlow/莱斯大学

“这听起来并不多，但是晶格间距的1%收缩会引起电子流的大幅增强，”莱斯研究生和共同主要作者李文斌说。“我们的研究表明，材料的电子传导增加了三倍。”

同时，晶格的性质使材料不易降解，即使加热到80摄氏度(176华氏度)也是如此。研究人员还发现，一旦关掉灯，晶格就会迅速松弛回其正常配置。

“2D钙钛矿的主要吸引力之一是它们通常具有充当湿度屏障的有机原子，具有热稳定性并解决离子迁移问题，”研究生和共同主要作者SirajSidhik说。“3D钙钛矿容易出现热和光不稳定性，因此研究人员开始将2D层放在块状钙钛矿之上，看看他们是否可以充分利用两者。

“我们认为，让我们只转向2D并使其高效，”他说。

为了观察材料的收缩，该团队利用了能源部(DOE)科学办公室的两个用户设施：能源部布鲁克海文国家实验室的国家同步加速器光源II和能源部阿贡国家实验室的先进光子源(APS)实验室。

该论文的合著者、阿贡物理学家JoeStrzalka使用APS的超亮X射线实时捕捉材料中的微小结构变化。APS光束线8-ID-E处的灵敏仪器允许进行“操作”研究，这意味着在设备在正常操作条件下经历温度或环境受控变化时进行的研究。在这种情况下，Strzalka和他的同事将太阳能电池中的光敏材料暴露在模拟阳光下，同时保持温度恒定，并观察到原子水平上的微小收缩。

作为对照实验，Strzalka和他的合著者还将房间保持黑暗并提高温度，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引起了转变。

“对于这样的变化，重要的是进行操作研究，”Strzalka说。“就像您的机械师想要运行您的引擎以查看其中发生的事情一样，我们本质上想要拍摄这种转变的视频，而不是单个快照。诸如APS之类的设施允许我们这样做。”

Strzalka指出，APS正在进行重大升级，将其X射线的亮度提高多达500倍。他说，当它完成时，更亮的光束和更快、更锐利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。

这可以帮助Rice团队调整材料以获得更好的性能。“我们正在通过设计阳离子和界面来获得超过20%的效率，”Sidhik说。“这将改变钙钛矿领域的一切，因为届时人们将开始将2D钙钛矿用于2D钙钛矿/硅和2D/3D钙钛矿串联，这可以使效率接近30%。这将使其商业化具有吸引力。”

该论文的共同作者是莱斯大学研究生JinHou、HaoZhang和AustinFehr，本科生JosephEssman，交换生王亚非和共同通讯作者，Mohite实验室资深科学家Jean-ChristopheBlancon;INSA的BoubacarTraore、ClaudineKatan;普渡大学的RezaAsadpour和MuhammadAlam;西北大学的JustinHoffman、IoannisSpanopoulos和MercouriKanatzidis;洛斯阿拉莫斯的JaredCrochet和布鲁克海文的EstherTsai。