導(dǎo)讀
最近,美國(guó)杜克大學(xué)的材料科學(xué)家們開(kāi)發(fā)出一種制造鈣鈦礦混合薄膜材料的新方法。對(duì)于制造這種薄膜來(lái)說(shuō),采用其他方法非常困難,甚至是不可能的。這項(xiàng)技術(shù)有望成為通往新一代太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管、光電探測(cè)器的大門(mén)。
背景
今天,讓我們先回顧一下以往多次介紹的鈣鈦礦(Perovskite)材料。它是一種性能優(yōu)異、用途廣泛的新型功能材料。鈣鈦礦材料結(jié)構(gòu)式一般為:ABX3,其中A為有機(jī)陽(yáng)離子,B為金屬離子,X為鹵素基團(tuán)。該結(jié)構(gòu)中, 金屬B原子位于立方晶胞體心處,鹵素X原子位于立方體面心,有機(jī)陽(yáng)離子A位于立方體頂點(diǎn)位置。
鈣鈦礦結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,有利于空穴的擴(kuò)散遷移,因此具備許多優(yōu)異的物理化學(xué)特性,例如:電催化性、吸光性等等。鈣鈦礦材料的應(yīng)用前景廣闊,特別適合基于光線(xiàn)的應(yīng)用領(lǐng)域,例如:光通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、太赫茲通信、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域。
舉例來(lái)說(shuō),鈣鈦礦吸收光線(xiàn)和有效傳輸能量的能力,使之成為研究人員開(kāi)發(fā)新型太陽(yáng)能電池所選用的材料。目前,學(xué)術(shù)界對(duì)于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池投入了大量的研究,寄予的期望也很大。新型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池投入市場(chǎng)以及大規(guī)模應(yīng)用可謂指日可待,并有望引領(lǐng)未來(lái)太陽(yáng)能電池市場(chǎng)的走向。
創(chuàng)新
毫無(wú)疑問(wèn),對(duì)于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的大規(guī)模量產(chǎn)甚至商用來(lái)說(shuō),制造技術(shù)猶為關(guān)鍵。最近,美國(guó)杜克大學(xué)的材料科學(xué)家們開(kāi)發(fā)出一種制造鈣鈦礦混合薄膜材料的新方法。對(duì)于制造這種薄膜來(lái)說(shuō),采用其他方法非常困難,甚至是不可能的。這項(xiàng)技術(shù)有望成為通往新一代太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管、光電探測(cè)器的大門(mén)。
在2017年12月22日的《ACS Energy Letters》期刊上,研究團(tuán)隊(duì)描述了他們的方法。
技術(shù)
如今,在太陽(yáng)能領(lǐng)域最常使用的鈣鈦礦材料之一就是:甲基碘化鉛(MAPbI3),它的光電轉(zhuǎn)化率可以與現(xiàn)有最佳的商用太陽(yáng)能面板相媲美。此外,它使用的材料也較少,厚度不到典型的硅基太陽(yáng)能電池的百分之一。
甲基碘化鉛是少數(shù)可以使用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)制造的鈣鈦礦之一,盡管它在可伸縮性和持久性方面,仍然存在問(wèn)題。在復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)中,混合有機(jī)和無(wú)機(jī)分子非常難以做到,因此為了真正釋放鈣鈦礦的潛能,需要新的制造方案。有機(jī)成分特別容易受到損傷,但是對(duì)于混合材料有效地吸收和激發(fā)光線(xiàn)的能力來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵。
杜克大學(xué)機(jī)械工程與材料科學(xué)專(zhuān)業(yè)教授 David Mitzi 表示:“甲基碘化鉛具有一種非常簡(jiǎn)單的有機(jī)成分,它也是一種非常高性能的光線(xiàn)吸收器。如果我們能找到新的制造方法,構(gòu)建出更加復(fù)雜的分子組合,那么這將為多功能材料開(kāi)辟出新的化學(xué)領(lǐng)域?!?/span>
在這項(xiàng)新研究中,Mitzi 的團(tuán)隊(duì)與杜克大學(xué)計(jì)算機(jī)工程和電氣系副教授 Adrienne Stiff-Roberts 一起合作,演示了符合上述要求的新制造方法。這項(xiàng)技術(shù)稱(chēng)為“共振紅外基質(zhì)輔助脈沖激光蒸發(fā)”(Resonant Infrared Matrix-Assisted Pulsed Laser Evaporation),簡(jiǎn)稱(chēng)“RIR-MAPLE”。過(guò)去十年來(lái),它一直由Stiff-Roberts在杜克大學(xué)開(kāi)發(fā)。
這項(xiàng)技術(shù)是在1999年發(fā)明的一項(xiàng)稱(chēng)為“MAPLE”的技術(shù)基礎(chǔ)上改造而來(lái),它包括:冷凍含有鈣鈦礦分子構(gòu)建模塊的溶液,然后在真空室中使用激光照射這種冷凍的模塊。
當(dāng)激光使得如同高爾夫球上凹坑大小的一小片冷凍目標(biāo)蒸發(fā)時(shí),蒸汽通過(guò)羽流向上輸送,羽流會(huì)覆蓋到任何懸在上方的物體的底部表面,例如太陽(yáng)能電池。一旦足夠的材料生產(chǎn)出來(lái),這個(gè)過(guò)程就會(huì)停止,而且產(chǎn)品被加熱后使得分子結(jié)晶,將薄膜安置到適當(dāng)位置。
在 Stiff-Roberts 的技術(shù)版本中,根據(jù)冷凍溶劑的分子鍵專(zhuān)門(mén)調(diào)諧激光頻率。這使得溶劑能夠吸收大部分的能量,讓容易受損的有機(jī)成分在運(yùn)輸?shù)疆a(chǎn)品表面的過(guò)程中不會(huì)受損。
Stiff-Roberts 表示:“對(duì)于材料的有機(jī)成分來(lái)說(shuō),RIR-MAPLE 技術(shù)顯得十分溫和,比其他基于激光的技術(shù)要好很多。這使得它更加高效,只需要少量有機(jī)材料就可以最終生產(chǎn)出同樣的產(chǎn)品。”
盡管目前鈣鈦礦基太陽(yáng)能電池目前還沒(méi)有上市,但是已經(jīng)有幾個(gè)公司正在致力于甲基碘化鉛和其他緊密相關(guān)的材料的商用。雖然,這項(xiàng)研究中制造出的材料相比于其他基于激光技術(shù)制造出的材料,制作成的太陽(yáng)能電池效率更高,但是目前仍然達(dá)不到傳統(tǒng)基于溶液的工藝所能達(dá)到的水平。
但是,Mitzi 和 Stiff-Roberts 表示這并不是他們的最終目標(biāo)。
價(jià)值
Stiff-Roberts 表示:“雖然基于溶液的技術(shù)對(duì)于有機(jī)物同樣也可以很溫和,而且也能夠制造出一些很好的混合光伏材料,但是它們無(wú)法應(yīng)用于更加復(fù)雜和難以溶解的有機(jī)分子。”
Mitzi 表示:“通過(guò)這次的RIR-MAPLE技術(shù)演示,我們希望為太陽(yáng)能電池工業(yè)使用的材料,開(kāi)啟全新的世界。我們也認(rèn)為這些材料可以用于其他應(yīng)用,例如發(fā)光二極管、光電探測(cè)器和X光探測(cè)器?!?/span>
關(guān)鍵字
鈣鈦礦、太陽(yáng)能、LED
參考資料
【1】http://pratt.duke.edu/news/maple-perovskites
【2】http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.7b01144
【3】Liu, M.Z., Johnston, M.B. and Snaith, H.J. (2013) Efficient Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells by vaPour Deposition. Nature, 501, 395-398. https://doi.org/10.1038/nature12509
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