2D鈣鈦礦化合物具有挑戰笨重產品的正確材料

萊斯大學的工程師在設計由半導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，提高了它們的效率，同時保持了它們抵御環境的能力。萊斯大學喬治R布朗工程學院的AdityaMohite實驗室發現，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18%，這在一個經常取得進展的領域中是一個驚人的飛躍。以百分之幾的分數來衡量。

“10年來，鈣鈦礦的效率從大約3%飆升至25%以上，”Mohite說。“其他半導體需要大約60年的時間才能實現。這就是我們如此興奮的原因。”

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：它們擅長將陽光轉化為能量，但陽光和水分會使它們降解。

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

“最大的問題是在不影響穩定性的情況下使它們高效，”他說。

普渡大學和西北大學、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字技術研究所(INSA)的萊斯工程師及其合作者發現，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。

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

“這項工作對研究激發態和準粒子具有重要意義，其中一層正電荷位于另一層，負電荷位于另一層，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。

萊斯大學的研究生SirajSidhik準備用固化成二維鈣鈦礦的化合物旋涂基材。Rice工程師發現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

“這種效應使我們有機會了解和調整這些基本的光物質相互作用，而無需創建復雜的異質結構，如堆疊的2D過渡金屬二硫屬化物，”他說。

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

兩個結果都表明，在一個太陽強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個太陽強度下，1分鐘內即可看到效果。

萊斯大學研究生李文斌準備在太陽能模擬器中進行測試的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

“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，”萊斯研究生和共同主要作者李文斌說。“我們的研究表明，材料的電子傳導增加了三倍。”

同時，晶格的性質使材料不易降解，即使加熱到80攝氏度(176華氏度)也是如此。研究人員還發現，一旦關掉燈，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濕度屏障的有機原子，具有熱穩定性并解決離子遷移問題，”研究生和共同主要作者SirajSidhik說。“3D鈣鈦礦容易出現熱和光不穩定性，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。

“我們認為，讓我們只轉向2D并使其高效，”他說。

為了觀察材料的收縮，該團隊利用了能源部(DOE)科學辦公室的兩個用戶設施：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光子源(APS)實驗室。

該論文的合著者、阿貢物理學家JoeStrzalka使用APS的超亮X射線實時捕捉材料中的微小結構變化。APS光束線8-ID-E處的靈敏儀器允許進行“操作”研究，這意味著在設備在正常操作條件下經歷溫度或環境受控變化時進行的研究。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，而不是它產生的熱量引起了轉變。

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

Strzalka指出，APS正在進行重大升級，將其X射線的亮度提高多達500倍。他說，當它完成時，更亮的光束和更快、更銳利的探測器將提高科學家以更高的靈敏度發現這些變化的能力。

這可以幫助Rice團隊調整材料以獲得更好的性能。“我們正在通過設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，這可以使效率接近30%。這將使其商業化具有吸引力。”

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