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阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Argonne National Laboratory)和普渡大學(xué)(Purdue University)的研究人員最近報(bào)告了一項(xiàng)通過(guò)跟蹤鈣鈦礦中離子的運(yùn)動(dòng)來(lái)防止鈣鈦礦太陽(yáng)能電池降解的努力。

該團(tuán)隊(duì)使用先進(jìn)光子源(Advanced Photon Source，APS)實(shí)驗(yàn)室的X射線和特制的表征平臺(tái)來(lái)揭示離子在紫外線(UV)輻射下在不同鈣鈦礦晶體內(nèi)移動(dòng)的方式。科學(xué)家們對(duì)在紫外線下測(cè)試材料穩(wěn)定性很感興趣，因?yàn)樽贤饩€會(huì)顯著降低太陽(yáng)能電池的性能，有時(shí)在長(zhǎng)時(shí)間暴露后會(huì)衰減50%以上。


當(dāng)光與太陽(yáng)能電池相互作用時(shí)，光會(huì)將電子從化學(xué)鍵中敲出并允許它們循環(huán)和移動(dòng)。然而，鈣鈦礦的不穩(wěn)定性意味著碘離子會(huì)以碘氣體的形式離開(kāi)體系，創(chuàng)造出一個(gè)離子空位，導(dǎo)致缺陷使電池停止運(yùn)作。研究人員希望提高鈣鈦礦的穩(wěn)定性，以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池的壽命達(dá)到20至30年，從而可以工業(yè)化使用。

“鈣鈦礦在太陽(yáng)能電池方面具有很大的潛力，也可用于LED顯示屏。在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，我們希望利用強(qiáng)大的X射線束來(lái)解碼鈣鈦礦的奧秘，并發(fā)現(xiàn)克服其穩(wěn)定性問(wèn)題的潛在途徑，“該論文的主要作者Yanqi(Grace)Luo說(shuō)。

為了提高鈣鈦礦太陽(yáng)能的效率，科學(xué)家們通過(guò)創(chuàng)新的成分和結(jié)構(gòu)工程來(lái)提高材料的穩(wěn)定性。通過(guò)改變鹵化物比例，以不同的大小或數(shù)量添加離子，科學(xué)家可以有效地改變鈣鈦礦的性質(zhì)和用途。

由于雜化鈣鈦礦的光捕獲特性不穩(wěn)定且容易改變，因此需要格外小心和專門設(shè)計(jì)的科學(xué)裝置來(lái)研究它們。一些顯微鏡只能記錄快照，在測(cè)量瞬間提供有關(guān)樣品的特定信息。APS的儀器可以在整個(gè)觀察過(guò)程中記錄和提供有關(guān)樣品狀況的數(shù)據(jù)，這意味著研究納米科學(xué)的研究人員可以目睹變化的發(fā)生。

Luo的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，通過(guò)使用一種稱為納米探針X射線熒光(nano-XRF)的技術(shù)，他們可以在破壞鈣鈦礦材料之前直接捕獲鹵化物原子的運(yùn)動(dòng)。“這是一個(gè)新平臺(tái)，可以在納米尺度上精確地看到實(shí)驗(yàn)材料在運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生什么，”該研究的另一位作者、阿貢物理學(xué)家Luxi Li說(shuō)。

該團(tuán)隊(duì)使用的鈣鈦礦樣品是實(shí)驗(yàn)室制造的低維或二維材料，它們由薄薄的鈣鈦礦片組成，這些鈣鈦礦整齊地夾在兩層有機(jī)分子之間。研究人員首先通過(guò)收集材料內(nèi)部原子的高分辨率元素圖，對(duì)2D晶體進(jìn)行了納米XRF測(cè)量。然后，研究人員用同樣的納米聚焦X射線探針，通過(guò)X射線吸收光譜(XAS)測(cè)量原子結(jié)構(gòu)。納米XRF和XAS分別捕獲了連續(xù)紫外輻照下這些二維晶體中的鹵化物再分布和結(jié)構(gòu)變化。這些發(fā)現(xiàn)為理解這些材料體系中的降解機(jī)制提供了新的見(jiàn)解。

通過(guò)新構(gòu)建的XRF平臺(tái)，研究人員增加了一些專門的光學(xué)元件和傳感器，使他們能夠在掃描過(guò)程中仔細(xì)調(diào)整光的亮度并檢測(cè)X射線激發(fā)的光學(xué)光子。結(jié)果表明，低維鈣鈦礦在穩(wěn)定性和維數(shù)之間顯示出明顯的聯(lián)系。用有機(jī)分子層取代材料的某些元素并保護(hù)材料，為提高鈣鈦礦光伏電池的穩(wěn)定性提供了一條潛在的途徑。

目前，Luo和她的團(tuán)隊(duì)正在探索其他方法來(lái)限制鹵化物的再分布程度，以提高材料的穩(wěn)定性。當(dāng)APS升級(jí)完成后，像Luo和Li這樣的研究人員將準(zhǔn)備好用更強(qiáng)大的X射線擊中鈣鈦礦。“隨著APS升級(jí)的到來(lái)，它應(yīng)該使我們能夠更好地了解各種時(shí)間尺度上能源材料的行為和工作原理，”Luo說(shuō)。

升級(jí)后的 APS 預(yù)計(jì)將于 2024 年春季上線，屆時(shí) APS 將配備亮度高達(dá) 500 倍的 X 射線束。 

原標(biāo)題：追蹤鈣鈦礦中離子的運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)更好的PSC穩(wěn)定性