腐蚀离子提高钙钛矿稳定性
2023/3/10 7:33:11 材料来源：化合物半导体
研究人员表明，更强的晶界可以帮助阻止迁移离子
科学家们发现，将离子导入钙钛矿材料中的特定路径可以提高钙钛矿太阳能电池的稳定性和运行性能。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。
“这为一系列新技术打开了大门，如柔性、轻质太阳能电池或分层太阳能电池（称为tandems），这些技术的效率远高于目前在所谓的太阳能农场中使用的太阳能收集技术，”该发现的一篇论文的通讯作者Aram Amassian说道。“人们有兴趣将钙钛矿材料集成到硅太阳能电池技术中，这将在利用现有基础设施的同时将效率从25%提高到40%。”Amassian是北卡罗来纳州立大学材料科学与工程教授。
使用钙钛矿材料是一项挑战，因为迄今为止，钙钛矿太阳能电池还不可能保持长期运行稳定性。当向钙钛矿施加电压时，它会导致离子迁移通过材料。这些迁移离子被认为会导致材料的化学和结构变化，最终导致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，研究人员需要找到解决这个问题的方法。
Amassian说：“我们还没有找到防止离子穿过钙钛矿材料的方法，但我们发现有可能将这些离子引导到安全的管道中，而不会损害材料的结构完整性或性能。这是向前迈出的一大步。”
安全管道是晶界。钙钛矿材料生长为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，但晶粒的取向可能略有不同。颗粒接触的区域是颗粒边界。
“我们发现，当离子主要沿着晶界移动时，晶�；崾艿礁玫谋；�，免受损伤，”第一作者和共同通讯作者Masoud Ghasemi说道，他曾是北卡罗来纳州的博士后研究员，现在是宾夕法尼亚州的博士后。
“将这一点与已知的钙钛矿材料相结合，很明显，当晶界薄弱时，问题就开始了，这使得离子更容易进入晶粒本身。设计更坚固的晶界以保护晶粒，对于阻止迁移的离子和其他有害物种（如氧）进入晶粒，缓解有问题的化学物质和材料的结构变化。”
Amassian说：“这是一个重要的见解，因为我们可以使用已有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晶粒。我们在本文中演示了这些技术如何强化晶界。简而言之，我们现在知道需要做什么才能制造出更稳定的钙钛矿。”
这项工作还可能为开发更高效的储能技术提供信息。
Amassian说：“这项工作促进了我们对离子如何穿过任何能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。我们很高兴能与从事能量存储的同事交流，了解这将如何为更快的离子导体工程提供信息。”
论文“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”发表在《自然材料》杂志上。
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