亚博yabo官网登录-NBA 在整个能源循环中改进基于钙钛矿的技术

导读最初是矿物质,亚博yabo官网登录 今天的技术中使用的钙钛矿与地球地幔中发现的岩石完全不同。亚博yabo官网登录 钙钛矿结构使用不同的原子组合,但保持最初在矿物中观察到的

最初是矿物质,今天的技术中使用的钙钛矿与地球地幔中发现的岩石完全不同。“钙钛矿结构”使用不同的原子组合,但保持最初在矿物中观察到的一般三维结构,其具有极好的光电性质,例如强光吸收和促进电荷传输。这些优点使钙钛矿结构合格,特别适用于从太阳能电池到灯的电子设备的设计。

过去几年钙钛矿技术的加速发展表明,基于钙钛矿的新设备将很快超过能源领域的现有技术。由Yabing Qi教授领导的OIST能源材料和表面科学部门处于这一发展的最前沿,现在有两个新的科学出版物,专注于钙钛矿太阳能电池的改进,以及生产新型钙钛矿LED的更便宜,更智能的方法灯。

太阳能电池中的额外层“三明治”

基于钙钛矿的太阳能电池是一项不断上升的技术预测,将取代目前主导该行业的经典光伏电池。在短短七年的发展过程中,钙钛矿太阳能电池的效率几乎与竞争对手 – 预计很快将超过 – 商业光伏电池相比,但由于稳定性问题,钙钛矿结构仍然受到短寿命的困扰。OIST的科学家们一直在不断改进细胞稳定性,确定降解因子并为更好的太阳能电池结构提供解决方案。

“物理化学杂志”B报道的这一新发现表明,太阳能电池组件之间的相互作用是造成设备快速降解的原因。更确切地说,提取通过太阳能获得的电子的氧化钛层 – 有效地产生电流 – 引起邻近钙钛矿层的不希望的劣化。想象一下,太阳能电池是一种多层俱乐部三明治:如果没有正确组装,与面包片接触的新鲜多汁的蔬菜会使面包在几个小时内变得非常潮湿。但是如果你在蔬菜和面包之间加一层火腿或火鸡,那么你的三明治整天都会在餐厅的冰箱里保持清爽。

这正是OIST研究人员所取得的成果:它们在太阳能电池中插入了一层由聚合物制成的附加层,以防止氧化钛和钙钛矿层之间的直接接触。该聚合物层是绝缘的但非常薄,这意味着它允许电子电流通过但不会降低太阳能电池的整体效率,同时有效地保护钙钛矿结构。

“我们在钙钛矿层和氧化钛层之间添加了一块非常薄的薄片,只有几纳米宽的聚苯乙烯,”Longbin Qiu博士解释说。“电子仍然可以穿过这个新层,它不会影响电池的光吸收。这样,我们就能够将电池的寿命延长四倍而不会降低能量转换效率。”

新型钙钛矿设备的使用寿命延长至250小时以上 – 仍然不足以与商业光伏电池竞争稳定性,但向全功能钙钛矿太阳能电池迈出了重要一步。

从气体制造LED灯

钙钛矿结构的双极电子特性不仅赋予它们从太阳能发电的能力,而且还可以将电能转化为生动的光。发光二极管 – 发光二极管 – 技术,在我们的日常生活中无处不在,从笔记本电脑和智能手机屏幕到汽车灯和天花板灯管,目前依赖于制造困难且昂贵的半导体。由于较低的成本和将功率转换为光的效率,钙钛矿LED设想在不久的将来成为新的工业标准。此外,通过改变钙钛矿结构中的原子组成,可以容易地调节钙钛矿LED以发出特定的颜色。

这些钙钛矿LED的制造目前基于用液体化学品浸渍或覆盖目标表面,该过程难以设置,限于小区域并且样品之间的一致性低。为了解决这个问题,OIST的研究人员在Journal of Physical Chemistry Letters上报道了第一个用气体组装的钙钛矿LED,这一过程称为化学气相沉积或CVD。

“化学气相沉积已经与行业兼容,因此原则上使用这种技术生产LED很容易,”Yabing Qi教授评论道。“与基于液体的技术相比,使用CVD的第二个优势是批次之间的差异要小得多。最后,最后一点是可扩展性:CVD可以在非常大的区域内实现均匀的表面。”

与太阳能电池一样,钙钛矿LED也包括许多协同作用的层。首先,氧化铟锡玻璃板和聚合物层允许电子进入LED。然后使用CVD将钙钛矿层 – 溴化铅和甲基溴化铵 – 所需的化学品连续地结合到样品上,其中将样品暴露于气体中以转化为钙钛矿,而不是通常用液体进行溶液涂覆过程。在这个过程中,钙钛矿层由纳米小晶粒组成,其尺寸在器件的效率中起关键作用。最后,最后一步涉及沉积两个附加层和金电极,形成完整的LED结构。LED甚至可以在制造过程中使用光刻形成特定图案。

“对于大颗粒,LED表面粗糙,发光效率较低。颗粒尺寸越小,效率越高,光线越亮,”Lingqiang Meng博士解释说。“通过改变装配温度,我们现在可以控制生长过程和谷物的大小,以获得最佳效率。”

控制晶粒尺寸并不是这种首创的LED灯组装技术的唯一挑战。

“钙钛矿很棒,但相邻层的选择也非常重要,”Luis K. Ono博士补充道。“要实现较高的电光转换率,每一层应与其他层协调工作。”

结果是具有可定制图案的柔性,厚膜状LED。亮度或亮度目前达到560 cd / m2,而典型的计算机屏幕发出100至1000 cd / m2,天花板荧光管约为12,000 cd / m 2。

“我们的下一步是将亮度提高一千倍或更多,”孟博士总结道。“此外,我们已经实现了基于CVD的LED发光绿光,但我们现在正试图用不同的钙钛矿组合重复这一过程,以获得鲜艳的蓝光或红光。”