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研究人员发现，将离子导入钙钛矿材料中定义的路径，可以提高钙钛矿太阳能电池的稳定性和运行性能。这一发现为适合实际应用的新一代更轻、更灵活、更高效的太阳能电池技术铺平了道路。
钙钛矿材料是由其晶体结构定义的，它比硅更好地吸收光。这意味着钙钛矿太阳能电池可以比硅太阳能电池更薄更轻，而不牺牲电池将光转化为电能的能力。
这一发现的通讯作者Aram Amassian说:“这为一系列新技术打开了大门，比如柔性、轻质太阳能电池，或分层太阳能电池(称为串联)，这些电池比目前所谓的太阳能农场使用的太阳能收集技术效率高得多。”“人们有兴趣将钙钛矿材料集成到硅太阳能电池技术中，这将使其效率从25%提高到40%，同时还可以利用现有的基础设施。”Amassian是北卡罗来纳州立大学材料科学与工程教授。
然而，使用钙钛矿材料是一个挑战，因为到目前为止，钙钛矿太阳能电池还不可能保持长期的运行稳定性。钙钛矿是一种离子材料，当对钙钛矿施加电压时，会导致离子在材料中迁移。这些迁移的离子被认为有助于材料的化学和结构变化，最终使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一问题的方法。
Amassian说:“我们还没有找到一种方法来阻止离子穿过钙钛矿材料，但我们已经发现有可能将这些离子引导到一个安全的管道中，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。”
安全的管道，在这种情况下，就是所谓的晶界。钙钛矿材料是一种多晶材料。这意味着当你“生长”钙钛矿时，这种材料会形成一系列晶体或“颗粒”，它们彼此齐平。这些颗粒负责吸收光并产生产生电流的电荷。每一种晶粒都具有相同的晶体结构，但晶粒的取向可能略有不同。颗粒接触的区域称为晶界。
“我们发现，当离子主要沿晶界移动时，颗粒能更好地免受损伤，”第一作者和共同通讯作者Masoud Ghasemi说，他曾是北卡罗来纳州立大学的博士后研究员，现在是宾夕法尼亚州立大学的博士后研究员。“将这与已知的钙钛矿材料结合起来，很明显，当晶界很弱时，问题就开始了，这使得离子更容易进入晶粒本身。设计更坚固的晶界来保护谷物，对于阻止迁移的离子和其他有害物种(如氧气)进入谷物，减轻材料中有问题的化学和结构变化至关重要。”
“这是一个重要的见解，因为我们可以使用现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谷物，”Amassian说。“我们在这篇论文中演示了这些技术如何增强晶界。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。”
这项工作也可能为更有效的能源储存技术的发展提供信息。
Amassian说:“这项工作推进了我们对离子如何通过任何可以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工作的同事讨论这将如何为更快的离子导体工程提供信息。”
这张纸。”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-滞后关系发表在该杂志上自然材料．该论文由北卡罗来纳州立大学博士生郭博宇、Kasra Darabi、Tonghui Wang和Laine Taussig共同撰写;北卡罗来纳州立大学博士后研究员Benjamin Lefler和Mihirsinh Chauhan;北卡罗来纳州立大学前本科生加勒特·鲍姆(Garrett Baucom);北卡罗莱纳州立大学前研究员Taesoo Kim;宾夕法尼亚州立大学的王凯，Enrique Gomez和Shashank Priya;以及北卡罗来纳大学教堂山分校的黄青薇和乔安娜·阿特金。
该研究得到了美国海军研究办公室的支持，授权号为N00014-20-1-2573;国家科学基金会，资助号CHE-1848278;以及美国能源部能源效率和可再生能源办公室，授权号为DE-EE0009364。
希普曼-
编者须知:研究摘要如下。
“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-滞后关系”
作者: Masoud Ghasemi，北卡罗莱纳州立大学和宾夕法尼亚州立大学;北卡罗莱纳州立大学郭博宇，Kasra Darabi，王同辉，Benjamin M. Lefler, Laine Taussig, Mihirsinh Chauhan, Garrett Baucom, Taesoo Kim和Aram Amassian;王凯，Enrique D. Gomez和Shashank Priya，宾夕法尼亚州立大学;黄青伟和乔安娜·m·阿特金，北卡罗来纳大学教堂山分校
发表: 2月27日自然材料
DOI: 10.1038 / s41563 - 023 - 01488 - 2
文摘:稳定性和电流电压滞后是金属卤化物钙钛矿商业化的主要障碍。这两种现象都与离子迁移有关，有传闻证据表明，稳定的器件产生低迟滞。然而，复杂的稳定性-迟滞链接的潜在机制仍然难以捉摸。在这里，我们提出了一个多尺度扩散框架，描述了多晶金属卤化物钙钛矿中空位介导的卤化物扩散，将快速晶界扩散率与慢2到4个数量级的体积扩散率区分开来。我们的结果揭示了晶界活化能与体积扩散之间的反比关系，例如，稳定的金属卤化物钙钛矿表现出较小的体积扩散系数，与较大的晶界扩散系数和较小的迟滞有关。金属卤化物在钙钛矿中多尺度扩散的阐明揭示了颗粒体积中离子迁移与晶界之间复杂的内部耦合，这反过来可以预测金属卤化物钙钛矿的稳定性和滞后，为解决该领域的突出挑战提供了更清晰的路径。
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