財(cái)聯(lián)社（上海，編輯 黃君芝）訊，據(jù)報(bào)道，美國(guó)萊斯大學(xué)（Rice University）的工程師們近日設(shè)計(jì)鈣鈦礦太陽(yáng)能(000591,股吧)電池方面取得階段性成功，不僅提高了電池轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)保持了它們抵抗環(huán)境的能力。
研究人員們發(fā)現(xiàn)，陽(yáng)光本身會(huì)收縮二維鈣鈦礦中原子層之間的空間，足以將材料的光伏轉(zhuǎn)換效率提高多達(dá)18%。盡管該領(lǐng)域經(jīng)常取得進(jìn)步，但一般而言都是以較低個(gè)位數(shù)來(lái)衡量的，因此這個(gè)成果是一個(gè)驚人的飛躍。
“在10年的時(shí)間里，鈣鈦礦的效率從3%飆升到了25%。其他半導(dǎo)體花了大約60年才達(dá)到這一水平。這就是我們?nèi)绱伺d奮的原因?！彼麄冄a(bǔ)充道。該研究成果已于近期發(fā)表在了《自然納米技術(shù)》雜志上。
鈣鈦礦是一種具有立方狀晶格的化合物，是一種高效的光收集器。多年來(lái)，人們已經(jīng)逐漸知道了它們的潛力，但它們帶來(lái)了一個(gè)難題：材料具備將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為能源的能力，但并不穩(wěn)定，陽(yáng)光和水分會(huì)使它們降解。
化學(xué)和生物分子工程以及材料科學(xué)和納米工程副教授Aditya Mohite說(shuō)，“太陽(yáng)能電池技術(shù)預(yù)計(jì)可以工作20到25年。我們已經(jīng)研究了很多年，并將繼續(xù)研究塊狀鈣鈦礦，它們非常高效，但不那么穩(wěn)定。相比之下，2D鈣鈦礦具有巨大的穩(wěn)定性，但效率不夠高，不能用在屋頂上。”
“最大的問(wèn)題是要在不損害穩(wěn)定性的情況下，提高它們效率?！彼a(bǔ)充說(shuō)。
在這項(xiàng)新研究中，他們發(fā)現(xiàn)，在某些二維鈣鈦礦中，陽(yáng)光有效地縮小了原子之間的空間，提高了它們攜帶電流的能力。
Mohite說(shuō)，“我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)你點(diǎn)燃材料時(shí)，你有點(diǎn)像海綿一樣擠壓它，把兩層粘合在一起，以增強(qiáng)電荷在那個(gè)方向的傳輸?！毖芯咳藛T發(fā)現(xiàn)，在碘化物頂部和鉛底部之間放置一層有機(jī)陽(yáng)離子可以增強(qiáng)兩層之間的相互作用。
“這項(xiàng)工作對(duì)研究激發(fā)態(tài)和準(zhǔn)粒子具有重要意義，在這些粒子中，正電荷位于一層，負(fù)電荷位于另一層，它們可以相互交換。這些被稱為激子，它們可能有獨(dú)特的性質(zhì)。”他補(bǔ)充說(shuō)，“這種效應(yīng)讓我們有機(jī)會(huì)理解和調(diào)整這些基本光物質(zhì)相互作用，而不需要?jiǎng)?chuàng)造復(fù)雜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，比如堆疊的二維金屬二硫族化合物?！?/p>
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相當(dāng)于一個(gè)太陽(yáng)強(qiáng)度的太陽(yáng)模擬器下10分鐘后，二維鈣鈦礦沿的長(zhǎng)度收縮0.4%，從上到下共收縮約1%。他們證明，在5個(gè)太陽(yáng)強(qiáng)度下，1分鐘內(nèi)就能看到這種效果。
“這聽(tīng)起來(lái)不像是很多，但晶格間距1%的收縮會(huì)引起電子流的大幅增強(qiáng)，”萊斯大學(xué)研究生、聯(lián)合首席作者Wenbin Li說(shuō)，“我們的研究表明，這種材料的電子傳導(dǎo)能力提高了三倍。”
與此同時(shí)，即使加熱到80攝氏度（176華氏度），晶格的性質(zhì)使這種材料不易降解。研究人員還發(fā)現(xiàn)，一旦關(guān)閉光源，晶格很快就會(huì)恢復(fù)到正常的結(jié)構(gòu)。
研究人員解釋稱，2D鈣鈦礦的主要吸引力之一是它們通常具有充當(dāng)濕度屏障的有機(jī)原子，具有熱穩(wěn)定性并解決離子遷移問(wèn)題。3D鈣鈦礦容易出現(xiàn)熱和光不穩(wěn)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的優(yōu)點(diǎn)。
下一步，研究人員將通過(guò)設(shè)計(jì)陽(yáng)離子和界面來(lái)獲得超過(guò)20%的效率。這將改變鈣鈦礦領(lǐng)域的一切，因?yàn)閷脮r(shí)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(lián)，這可以使效率接近30%。這將使其商業(yè)化更具有吸引力。
