聚集离子可提高下一代太阳能电池的生存能力

研究人员发现，将离子引导到钙钛矿材料中的明确途径中可提高钙钛矿太阳能电池的稳定性和操作性能。这一发现为新一代更轻、更灵活、更高效的太阳能电池技术铺平了道路，适合实际使用。

钙钛矿材料由其晶体结构定义，比硅更能吸收光。这意味着钙钛矿太阳能电池可以比硅太阳能电池更薄、更轻，而不会牺牲电池将光转化为电能的能力。

“这为许多新技术打开了大门，例如柔性，轻质的太阳能电池或分层太阳能电池(称为串联)，这些技术比今天在所谓的太阳能农场中使用的太阳能收集技术效率更高，”Aram Amassian说，他是一篇关于这一发现的论文的通讯作者。“人们有兴趣将钙钛矿材料集成到硅太阳能电池技术中，这将使其效率从25%提高到40%，同时利用现有的基础设施。Amassian是北卡罗来纳州立大学材料科学与工程教授。

然而，使用钙钛矿材料提出了挑战，因为钙钛矿太阳能电池无法维持长期运行稳定性。钙钛矿是离子材料，当对钙钛矿施加电压时，它会导致离子在材料中迁移。这些迁移离子被认为会导致材料的化学和结构变化，最终使材料效率低下和不稳定。为了制造实用的钙钛矿太阳能电池，研究人员需要找到一种方法来解决这个问题。

“我们还没有找到防止离子穿过钙钛矿材料的方法，但我们发现可以将这些离子引导到不会损害材料结构完整性或性能的安全管道中，”Amassian说。“这是向前迈出的一大步。”

在这种情况下，安全管道是称为晶界的东西。钙钛矿材料是多晶材料。这意味着当您“生长”钙钛矿时，材料会形成一系列相互齐平的晶体或“颗粒”。这些颗粒负责吸收光并产生负责电流的电荷。这些晶粒中的每一个都具有相同的晶体结构，但晶粒的方向可能略有不同。颗粒接触的区域称为颗粒边界。

“我们发现，当离子主要沿着晶界移动时，谷物可以更好地免受损害，”第一作者和共同通讯作者Masoud Ghasemi说，他是北卡罗来纳州立大学的前博士后研究员，现在是宾夕法尼亚州立大学的博士后研究员。

“将此与钙钛矿材料的已知知识相结合，很明显，当晶界较弱时，问题就开始了，这使得离子更容易进入晶粒本身。设计更坚固的晶界来保护晶粒对于阻止迁移离子和其他有害物质(如氧气)进入晶粒至关重要，从而减轻材料中存在问题的化学和结构变化。

“这是一个重要的见解，因为我们可以使用已建立的技术来设计钙钛矿材料及其晶界;我们现在可以利用这些方法来保护谷物，“Amassian说。“我们在本文中展示了这些技术如何加强晶界。简而言之，我们现在知道需要做些什么来制造更稳定的钙钛矿。

这项工作还可以为开发更高效的储能技术提供信息。

“这项工作推进了我们对离子如何通过任何可以携带电荷的晶体材料的基本理解，而不仅仅是卤化物钙钛矿，”Amassian说。“我们很高兴与从事储能工作的同事讨论这如何为更快的离子导体工程提供信息。

这篇题为“多尺度离子扩散框架揭示了金属卤化物钙钛矿中的扩散-稳定性-滞后关系”的论文发表在《自然材料》杂志上。

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