封面插圖顯示，鹵化物過氧化物結(jié)構(gòu)的表面被一個大的有機陽離子所改變。陽離子在薄膜中擴散，重建表面結(jié)構(gòu)。資料來源：《先進材料》雜志

 

　　在新發(fā)表的研究中，由佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院助理教授Juan-Pablo Correa-Baena領(lǐng)導(dǎo)的一個團隊表明，鹵化物過氧化物太陽能電池的穩(wěn)定性比以前想象的要差。他們的工作揭示了發(fā)生在電池界面層內(nèi)的熱不穩(wěn)定性，但也為鹵化物過氧化物太陽能技術(shù)的可靠性和效率提供了前進的道路。他們的研究在2022年12月作為《先進材料》雜志的封面故事發(fā)表，對從事光伏領(lǐng)域過氧化物工作的學(xué)者和行業(yè)專家都有直接影響，光伏領(lǐng)域是一個與陽光產(chǎn)生的電流有關(guān)的領(lǐng)域。

 

　　鹵化鉛過氧化物太陽能電池有望將太陽光轉(zhuǎn)換為電能，效果極佳。目前，從這些電池中哄騙出高轉(zhuǎn)換效率的最常見策略是用被稱為陽離子的大型正電離子處理其表面。

 

　　這些陽離子太大，無法進入包晶石的原子尺度晶格，一旦落在包晶石晶體上，就會在它們沉積的界面上改變材料的結(jié)構(gòu)。由此產(chǎn)生的原子級缺陷限制了從太陽能電池中提取電流的效率。盡管意識到了這些結(jié)構(gòu)變化，但關(guān)于陽離子在沉積后是否穩(wěn)定的研究是有限的，這使得人們對一個可能影響鹵化物過氧化物太陽能電池長期生存能力的過程的理解出現(xiàn)了空白。

 

　　為了進行實驗，該團隊使用典型的過氧化物薄膜創(chuàng)建了一個樣品太陽能設(shè)備。該裝置具有八個獨立的太陽能電池，這使研究人員能夠根據(jù)每個電池的性能進行實驗并產(chǎn)生數(shù)據(jù)。他們調(diào)查了在有陽離子表面處理和沒有陽離子表面處理的情況下電池將如何表現(xiàn)，并使用基于同步輻射的X射線表征技術(shù)研究了每個電池在長期熱應(yīng)力之前和之后的陽離子改性界面。

 

　　首先，研究人員將預(yù)處理過的樣品暴露在100攝氏度的環(huán)境中40分鐘，然后用X射線光電子能譜儀測量其化學(xué)成分的變化。他們還使用另一種類型的X射線技術(shù)，精確調(diào)查在薄膜表面形成何種類型的晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)合這兩種工具的信息，研究人員可以直觀地看到陽離子如何擴散到晶格中，以及界面結(jié)構(gòu)在受熱時如何變化。

 

　　接下來，為了了解陽離子引起的結(jié)構(gòu)變化如何影響太陽能電池的性能，研究人員與喬治亞理工大學(xué)物理和化學(xué)教授Carlos Silva合作，采用了激發(fā)相關(guān)光譜。該技術(shù)將太陽能電池樣品暴露在非?？焖俚墓饷}沖下，并在每個脈沖后檢測從薄膜中發(fā)射的光的強度，以了解光的能量是如何損失的。測量結(jié)果使研究人員能夠了解什么樣的表面缺陷對性能不利。

 

　　最后，研究小組將結(jié)構(gòu)和光電性能的變化與太陽能電池效率的差異聯(lián)系起來。他們還研究了兩種最常用的陽離子在高溫下引起的變化，并觀察了它們界面上的動力學(xué)差異。

 

　　研究人員了解到，用有機陽離子處理的金屬鹵化物過氧化物薄膜的表面在熱應(yīng)力作用下，結(jié)構(gòu)和成分不斷演變。他們看到，由此產(chǎn)生的界面上的原子級變化會導(dǎo)致太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率的有意義的損失。此外，他們發(fā)現(xiàn)這些變化的速度取決于所使用的陽離子的類型，這表明只要對分子進行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計，穩(wěn)定的界面可能是可以實現(xiàn)的。

 

　　Correa-Baena說："我們希望這項工作將迫使研究人員在高溫下測試這些界面，并尋求不穩(wěn)定問題的解決方案。這項工作應(yīng)該為科學(xué)家們指出正確的方向，指出他們可以關(guān)注的領(lǐng)域，以便建立更高效和穩(wěn)定的太陽能技術(shù)"。