量子点增强了太阳能采集钙钛矿晶体的稳定性

2019-05-28 09:37:10
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多伦多大学工程研究人员将两种新兴技术结合起来用于下一代太阳能发电 - 并发现每种技术都有助于稳定另一种太阳能发电。由此产生的混合材料是降低太阳能成本的重要一步,同时增加了可以使用的方式。

今天,几乎所有的太阳能电池都是由高纯硅制成的。这是一项成熟的技术,近年来由于规模经济,制造成本大幅下降。然而,硅的效率有上限。由Ted Sargent教授领导的团队正在研究补充材料,通过吸收硅不能吸收光的波长来增强硅的太阳能捕获潜力。

“我们实验室追求的两项技术是钙钛矿晶体和量子点,”Sargent说。“这两种产品都适用于溶液加工。想象一下'太阳能墨水'可以印刷到柔性塑料上以制造低成本,可弯曲的太阳能电池。我们也可以将它们组合在硅太阳能电池的前面或后面以进一步提高效率。“

钙钛矿和量子点面临的主要挑战之一是稳定性。在室温下,某些类型的钙钛矿经历了3D晶体结构的调整,使其透明 - 它们不再完全吸收太阳辐射。

就其本身而言,量子点必须覆盖在称为钝化层的薄层中。该层 - 仅一个分子厚 - 防止量子点彼此粘附。但是高于100℃的温度会破坏钝化层,导致量子点聚集或聚集在一起,破坏了它们收获光的能力。

在今天发表在“ 自然”杂志上的一篇论文中,来自萨金特实验室的一组研究人员报告了一种结合钙钛矿和量子点的方法,这种方法可以稳定两者。

“在我们这样做之前,人们通常会分别试图解决这两个挑战,”该论文的第一作者刘孟霞说。

“研究表明,混合结构的成功发展,包括钙钛矿和量子点,”现任剑桥大学博士后研究员的刘说。“这激发了我们考虑两种材料相互稳定的可能性,如果它们具有相同的晶体结构。”

刘和团队建造了两种混合材料。其中一个主要是量子点,按体积计约有15%的钙钛矿,设计用于将光转化为电能。另一种主要是钙钛矿,体积小于15%的量子点,更适合将电转化为光,例如,作为发光二极管(LED)的一部分。

该团队能够证明富含钙钛矿的材料在环境条件(25℃和30%湿度)下保持稳定6个月,比仅由相同钙钛矿组成的材料长约10倍。对于量子点材料,当加热到100℃时,纳米颗粒的聚集比未用钙钛矿稳定的情况低五倍。

“这证明我们的假设非常好,”刘说。“这是一个超出我们预期的令人印象深刻的结果。

新论文为这些混合材料可以增强稳定性的想法提供了概念验证。在未来,刘希望太阳能电池制造商将采取她的想法并进一步改进它们,以创造满足与传统硅相同标准的溶液处理太阳能电池。

“工业研究人员可以通过使用不同的化学元素来形成钙钛矿或量子点,”刘说。“我们已经表明,这是一种改善这类结构稳定性的有希望的策略。”

“钙钛矿作为太阳能材料具有巨大的潜力;但需要基本的解决方案将其转化为稳定且坚固的材料,以满足可再生能源领域的苛刻要求。” 杰弗里·格罗斯曼说,他是环境系统的莫顿和克莱尔戈德和家庭教授,也是麻省理工学院材料科学与工程系的教授,他没有参与这项研究。“多伦多的研究显示了一条令人兴奋的新途径,可以促进稳定的钙钛矿晶相的理解和成就。”

Liu将这一发现部分归功于团队中的协作环境,其中包括来自许多学科的研究人员,包括化学,物理学和她自己的材料科学领域。

“钙钛矿和量子点具有不同的物理结构,这些材料之间的相似性通常被忽视,”她说。“这一发现表明,当我们结合不同领域的想法时会发生什么。”

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