研发报告详细内容

挤压钙钛矿使其稳定

      材料来源:compoundsemiconductor

美国科学家发现如何利用钻石砧室中产生的压力来稳定钙钛矿
 
钙钛矿作为一种可以将阳光转化为电能的低成本材料具有广阔的前景,不过,障碍在于钙钛矿四个可能的原子构型中,有三个是有效的但在室温下不稳定且很快会恢复到第四构型,而该构型对于太阳能应用是完全无用的。
 
目前,美国斯坦福大学和美国能源部SLAC国家加速器实验室的科学家们找到了一种新颖的解决方案:将无用的材料放入钻石砧室中,并在高温下挤压。这种处理将其原子结构微调成一种有效结构,即使在室温和相对湿润的空气中也能保持原状。研究人员在Nature Communications中描述了他们的研究结果。
 
斯坦福大学材料与能源科学研究院(SIMES)SLAC研究员Yu Lin说:“这是第一个利用压力来控制钙钛矿稳定性的研究,提供了多种可能性。”
 
她说:“现在,我们已经找到了制备材料的最佳方法,有可能将其扩大规模应用于工业生产,也有可能使用同样的方法来处理其他钙钛矿相。”
 
寻求稳定性
 
钙钛矿的名字源于具有相同原子结构的天然矿物。在这种情况下,科学家研究了一种由碘、铅和铯组成的卤化铅钙钛矿。
 
这种材料具有一个黄色相,但不具有真正的钙钛矿结构,因此不能用于太阳能电池。但是科学家发现,如果以某种方式处理它,黄色相将转变为黑色钙钛矿相,在将阳光转换为电能方面非常有效。斯坦福大学教授、研究合着者Wendy Mao说,“这使得它受到了强烈追捧,成为许多研究的焦点。”
 
遗憾的是,黑色相在结构上不稳定,往往会迅速回落到无用的状态。Mao说,它们只能在高温下高效运行,研究人员必须克服这两个问题,才能应用在实际器件中。
 
以前曾尝试用化学过程,应力或温度来稳定黑相,但干燥的环境不能模拟太阳能电池所要应用的真实环境。本研究将在一个更真实的工作环境中应用并结合压力和温度。
 
压力和热量
 
Lin和博士后Feng Ke与斯坦福大学研究小组的同事Mao、Hemamala Karunadasa合作,设计了一种装置,在该装置中将黄色相晶体挤压在所谓的钻石砧室中的钻石尖端之间。在仍然施加压力的情况下,将晶体加热至450℃,然后冷却。
 
科学家们表示,在合适的压力和温度组合下,晶体由黄色变为黑色,并在压力释放后仍保持在黑色相中。它们可抵抗潮湿空气的腐蚀,在室温下保持稳定和高效的状态10到30天之久。
 
X射线等技术的检验证实了材料的晶体结构发生了变化,SIMES理论家Chunjing Jia和Thomas Devereaux的计算揭示了压力是如何改变材料结构并保持黑色相。
 
Lin说,使晶体变黑并保持稳定所需的压力是大气压力的1000至 6000倍,大约是人造金刚石行业使用压力的十分之一。因此,下一个研究目标是将从金刚石压砧实验中所学到的知识迁移到工业领域,实现批量制造。
 
参考文献:
 
'Preserving a robust CsPbI3?perovskite phase via pressure-directed octahedral tilt'?by Feng Ke et al; Nature Communications volume 12, Article number: 461 (2021)
 
 
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