鈣鈦礦電池：如何突破其穩(wěn)定性難關(guān)？

:鈣鈦礦一種能夠?qū)㈥柟廪D(zhuǎn)化為電能的人造晶體——是如何被穩(wěn)定下來的？KU Leuven團(tuán)隊圍繞這項議題進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，將鈣鈦礦晶體變成黑色，能夠使它們吸收陽光。這項研究發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

（來源：微信公眾號“光伏領(lǐng)跑者創(chuàng)新論壇”作者：Min-Min）

太陽能電池的發(fā)展分為三代：

1）第一代太陽能電池主要指單晶硅和多晶硅太陽能電池，其在實驗室的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)分別達(dá)到25%和20.4%；

2）第二代太陽能電池主要包括非晶硅薄膜電池和多晶硅薄膜電池。

3）第三代太陽能電池主要指具有高轉(zhuǎn)換效率的一些新概念電池, 如染料敏化電池、量子點電池以及有機太陽能電池等。

鈣鈦礦太陽能電池作為第三代太陽能電池，利用鈣鈦礦型的有機金屬鹵化物半導(dǎo)體作為吸光材料，在收集太陽能方面表現(xiàn)出特別的潛力，能夠比硅太陽能電池提供更高的轉(zhuǎn)換效率。

穩(wěn)定性

“決定太陽能電池質(zhì)量的三大支柱是:價格、穩(wěn)定性和性能。鈣鈦礦在性能和價格上得分很高，但它們的穩(wěn)定性仍然是一個主要問題，”魯汶大學(xué)中心濾膜朱利安·斯蒂爾博士說到。一些最有前途的鈣鈦礦，如三碘化銫鉛(CsPbI3)，在室溫下非常不穩(wěn)定。這個時候，晶體中的原子不形成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，它們呈現(xiàn)黃色。為了讓這些晶體有效地吸收陽光并將其轉(zhuǎn)化為電能，晶體應(yīng)該處于一種黑色的鈣鈦礦狀態(tài)。

在它們的黃色階段，晶體非常柔軟，相當(dāng)于一盤果凍

“硅形成了一個非常強大的，堅硬的晶體。如果你按下它，它不會改變其形狀。在另一方面，鈣鈦礦是更加柔軟和更具可塑性，”斯蒂爾解釋。“我們可以在各種實驗室條件下穩(wěn)定它們，但在室溫下，黑色鈣鈦礦原子需要重新洗牌、改變結(jié)構(gòu)，最終把晶體變成黃色?！?/p>

斯蒂爾和一個國際科學(xué)家團(tuán)隊一起發(fā)現(xiàn)，將鈣鈦礦太陽能電池薄膜綁定到一塊玻璃上，通過將這些薄膜加熱到330℃，可以使鈣鈦礦膨脹并粘附在玻璃上，再將薄膜迅速冷卻到室溫，使它們保持所需的黑色形式。這個過程的原理是固定晶體中的原子，限制它們的運動。

研究過程

“在我們的研究中，我們選擇了CsPbI3，因為它的性能非常高，”斯蒂爾解釋說。“此外，鈣鈦礦是最不穩(wěn)定的鈣鈦礦類型之一，這意味著它對我們描述的方法很敏感，應(yīng)該轉(zhuǎn)化為其他不穩(wěn)定的鈣鈦礦。”

研究中使用的大部分?jǐn)?shù)據(jù)是在歐洲同步加速器輻射設(shè)施中收集的。為了理解分子尺度上的實驗觀察結(jié)果，根特大學(xué)分子模型中心(CMM)的同事們通過對鈣鈦礦黑色和黃色相的理論模擬來支持這一發(fā)現(xiàn)。

計算結(jié)果是必要的，以解釋為什么當(dāng)將黑相作為薄膜固定到玻璃基板上時能夠使其穩(wěn)定。

鈣鈦礦電池

這種結(jié)合到底是如何發(fā)生的，仍然是個謎，盡管有一些假設(shè)?！巴ǔ?，我們會用原子分辨率的顯微鏡直接觀察。然而，用鈣鈦礦是不可能做到這一點的，因為用這么高分辨率的成像儀器很難觀察到鈣鈦礦，因為鈣鈦礦太軟了，在普通探測器相對較高的能量下，它們很容易解體?！?/p>

斯蒂爾說:“了解這一機理將有助于進(jìn)一步研究，最終開發(fā)出使用純鈣鈦礦晶體的太陽能電池板?！?/p>

“由于處理基于鈣鈦礦的太陽能電池的入門水平相對較低，它們對在更有限的基礎(chǔ)設(shè)施中運營的發(fā)展中國家的人們非常有益?！贝送?，鈣鈦礦還可用于led、光電傳感器、晶體管、x射線探測器等。

原標(biāo)題:鈣鈦礦電池：如何突破其穩(wěn)定性難關(guān)？