鈣钛矿材料前(qián)景廣
时(shí)間(jiān)：2020-12-01
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鈣钛矿是(shì)種(zhǒng)與(yǔ)钛酸鈣相同(tóng)晶體(tǐ)結構的(de)材料。相比以(yǐ)共(gòng)棱、共(gòng)面(miàn)形式連(lián)接的(de)結構，鈣钛矿結構更(gèng)加穩定，有(yǒu)利于(yú)缺陷的(de)擴散遷移。因(yīn)此(cǐ)，鈣钛矿也(yě)具备了許多(duō)异(yì)乎尋常的(de)物(wù)理化(huà)學(xué)特性(xìng)，例如(rú)电催化(huà)性(xìng)、吸光(guāng)性(xìng)等等。
鈣钛矿材料的(de)應(yìng)用(yòng)前(qián)景非(fēi)常廣，例如(rú)光(guāng)通信(xìn)、、、。目前(qián)，备受關(guān)注和(hé)追捧的(de)要(yào)屬鈣钛矿太陽能(néng)电池。鈣钛矿太陽能(néng)电池投入(rù)市(shì)场(chǎng)以(yǐ)及(jí)大(dà)规模應(yìng)用(yòng)指日(rì)可(kě)待，並(bìng)有(yǒu)望引領未来太陽能(néng)电池市(shì)场(chǎng)的(de)新(xīn)走(zǒu)向(xiàng)。
韓國(guó)蔚山(shān)國(guó)立科技研究所(suǒ)（UNIST）發(fà)明(míng)的(de)鈣钛矿太陽能(néng)电池
阿卜杜拉國(guó)王科技大(dà)學(xué)（KAUST）采用(yòng)鈣钛矿納米(mǐ)晶體(tǐ)進(jìn)行照明(míng)和(hé)數據(jù)通信(xìn)
瑞士洛桑联邦理工學(xué)院(yuàn)采用(yòng)鈣钛矿材料進(jìn)行數據(jù)存儲
雖(suī)然鈣钛矿的(de)發(fà)展潛力巨大(dà)，但是(shì)仍有(yǒu)一(yī)些(xiē)因(yīn)素阻礙了其(qí)效率和(hé)一(yī)致性(xìng)。鈣钛矿晶體(tǐ)結構中(zhōng)的(de)小缺陷，也(yě)稱为(wèi)“陷阱（traps）”，将引起电子在(zài)其(qí)能(néng)量(liàng)能(néng)被(bèi)利用(yòng)之前(qián)産生(shēng)“遲滞效應(yìng)”。电子在(zài)太陽能(néng)电池材料中(zhōng)運動(dòng)得越方(fāng)便，材料将光(guāng)子（光(guāng)的(de)粒(lì)子）轉(zhuǎn)化(huà)电力的(de)效率就(jiù)会(huì)越高(gāo)。另(lìng)外(wài)一(yī)个(gè)問(wèn)題(tí)，就(jiù)是(shì)在(zài)遭(zāo)到(dào)光(guāng)线照射时(shí)，離子会(huì)在(zài)太陽能(néng)电池中(zhōng)移動(dòng)，從而(ér)引起能(néng)带(dài)隙（bandgap）的(de)變(biàn)化(huà)，即材料吸收(shōu)的(de)光(guāng)线顔色(sè)会(huì)發(fà)生(shēng)變(biàn)化(huà)。
創新(xīn)
近(jìn)日(rì)，英國(guó)劍橋(qiáo)大(dà)學(xué)（University of Cambridge ）領導的(de)國(guó)際科研团(tuán)隊發(fà)現(xiàn)，碘化(huà)鉀的(de)加入(rù)可(kě)以(yǐ)修複缺陷，阻止離子運動(dòng)，提(tí)升(shēng)低成(chéng)本(běn)鈣钛矿太陽能(néng)电池的(de)效率。这(zhè)種(zhǒng)新(xīn)一(yī)代(dài)的(de)太陽能(néng)电池可(kě)以(yǐ)作(zuò)为(wèi)效率提(tí)升(shēng)层(céng)，放(fàng)置于(yú)現(xiàn)有(yǒu)的(de)矽基太陽能(néng)电池頂部，或(huò)者(zhě)制作(zuò)成(chéng)單獨的(de)太陽能(néng)电池或(huò)者(zhě)彩色(sè)LED。研究結果(guǒ)發(fà)表(biǎo)于(yú)《自(zì)然（Nature）》雜志。
技術(shù)：这(zhè)項研究中(zhōng)用(yòng)到(dào)的(de)太陽能(néng)电池是(shì)基于(yú)金(jīn)屬鹵化(huà)物(wù)鈣钛矿，它们(men)是(shì)一(yī)组很有(yǒu)前(qián)途的(de)離子半導體(tǐ)材料，只(zhī)有(yǒu)短(duǎn)短(duǎn)几年(nián)的(de)開(kāi)發(fà)曆史，但是(shì)現(xiàn)在(zài)從光(guāng)电轉(zhuǎn)換效率方(fāng)面(miàn)来说(shuō)，它们(men)可(kě)與(yǔ)商用(yòng)的(de)薄膜光(guāng)伏技術(shù)相媲美(měi)。鈣钛矿廉價且(qiě)易于(yú)在(zài)低温(wēn)条(tiáo)件(jiàn)下(xià)制造，这(zhè)使得它们(men)非(fēi)常适合下(xià)一(yī)代(dài)太陽能(néng)电池和(hé)照明(míng)。
研究的(de)領头(tóu)人(rén)、劍橋(qiáo)大(dà)學(xué)卡(kǎ)文(wén)迪什(shén)實(shí)验(yàn)室的(de)博士 Sam Stranks 表(biǎo)示：“迄今为(wèi)止，我(wǒ)们(men)還(huán)沒(méi)能(néng)使得这(zhè)些(xiē)材料穩定地(dì)达(dá)到(dào)我(wǒ)们(men)想(xiǎng)要(yào)的(de)能(néng)带(dài)隙，所(suǒ)以(yǐ)我(wǒ)们(men)一(yī)直(zhí)嘗試通过(guò)調整鈣钛矿层(céng)的(de)化(huà)學(xué)成(chéng)分(fēn)，阻止離子運動(dòng)。这(zhè)将使得鈣钛矿可(kě)以(yǐ)作(zuò)为(wèi)多(duō)種(zhǒng)鈣钛矿电池或(huò)者(zhě)彩色(sè)LED（從本(běn)質(zhì)上(shàng)以(yǐ)逆向(xiàng)方(fāng)式運行的(de)“太陽能(néng)电池”）使用(yòng)。
在(zài)这(zhè)項研究中(zhōng)，研究人(rén)員将碘化(huà)鉀添加到(dào)鈣钛矿墨(mò)水(shuǐ)中(zhōng)，这(zhè)種(zhǒng)墨(mò)水(shuǐ)可(kě)自(zì)组装到(dào)薄膜中(zhōng)，改變(biàn)了鈣钛矿层(céng)的(de)化(huà)學(xué)成(chéng)分(fēn)。这(zhè)種(zhǒng)技術(shù)兼容卷(juǎn)对卷(juǎn)制程（roll-to-roll processes），这(zhè)意(yì)味着它是(shì)廉價且(qiě)可(kě)擴展的(de)。碘化(huà)鉀在(zài)鈣钛矿的(de)頂部形成(chéng)一(yī)个(gè)“装飾”层(céng)，可(kě)以(yǐ)修複缺陷，使得电子運動(dòng)得更(gèng)加自(zì)由(yóu)，同(tóng)时(shí)也(yě)限制了離子的(de)運動(dòng)，從而(ér)使得材料在(zài)期望的(de)能(néng)带(dài)隙条(tiáo)件(jiàn)下(xià)更(gèng)加穩定。
價值：研究人(rén)員論证了，这(zhè)種(zhǒng)鈣钛矿的(de)能(néng)带(dài)隙性(xìng)能(néng)頗具前(qián)景，非(fēi)常适合作(zuò)为(wèi)矽太陽能(néng)电池頂层(céng)或(huò)者(zhě)和(hé)配合另(lìng)外(wài)一(yī)层(céng)鈣钛矿使用(yòng)（因(yīn)此(cǐ)稱为(wèi)“疊层(céng)太陽能(néng)电池”）。矽疊层(céng)太陽能(néng)电池很可(kě)能(néng)是(shì)鈣钛矿首个(gè)大(dà)规模應(yìng)用(yòng)。通过(guò)添加一(yī)层(céng)鈣钛矿，光(guāng)线中(zhōng)更(gèng)廣範圍的(de)光(guāng)譜可(kě)被(bèi)更(gèng)有(yǒu)效地(dì)吸收(shōu)。
Stranks 的(de)研究受到(dào)了歐盟和(hé)歐洲(zhōu)研究理事(shì)会(huì)“地(dì)平线2020”項目的(de)贊助。他(tā)说(shuō)：“通过(guò)鉀，我(wǒ)们(men)使得疊层(céng)太陽能(néng)电池中(zhōng)的(de)鈣钛矿能(néng)带(dài)隙變(biàn)成(chéng)我(wǒ)们(men)期望的(de)那(nà)樣(yàng)穩定，並(bìng)使得它们(men)更(gèng)多(duō)地(dì)發(fà)光(guāng)，这(zhè)意(yì)味着太陽能(néng)电池的(de)效率将更(gèng)高(gāo)。它几乎完全(quán)控制了鈣钛矿中(zhōng)的(de)離子和(hé)缺陷。”
卡(kǎ)文(wén)迪什(shén)實(shí)验(yàn)室的(de)博士生(shēng)、論文(wén)的(de)第(dì)一(yī)作(zuò)者(zhě) Mojtaba Abdi-Jalebi 表(biǎo)示：“我(wǒ)们(men)發(fà)現(xiàn)鈣钛矿对添加剂非(fēi)常宽(kuān)容，你可(kě)以(yǐ)增加新(xīn)成(chéng)分(fēn)，它们(men)会(huì)變(biàn)得更(gèng)好(hǎo)。與(yǔ)其(qí)他(tā)光(guāng)伏技術(shù)不(bù)同(tóng)，我(wǒ)们(men)無需添加額外(wài)一(yī)层(céng)来提(tí)高(gāo)性(xìng)能(néng)，只(zhī)需将添加剂簡單地(dì)混合到(dào)鈣钛矿墨(mò)水(shuǐ)中(zhōng)。”
鈣钛矿和(hé)鉀组成(chéng)的(de)器件(jiàn)在(zài)測試中(zhōng)顯示出良好(hǎo)的(de)穩定性(xìng)，光(guāng)电轉(zhuǎn)換效率达(dá)21.5%，與(yǔ)目前(qián)zui佳的(de)鈣钛矿基太陽能(néng)电池相似，而(ér)且(qiě)接近(jìn)矽基太陽能(néng)电池的(de)實(shí)用(yòng)效率极(jí)限（29%）。由(yóu)两(liǎng)层(céng)鈣钛矿组成(chéng)的(de)、具有(yǒu)理想(xiǎng)能(néng)带(dài)隙的(de)疊层(céng)电池的(de)理論效率极(jí)限是(shì)45%，實(shí)際极(jí)限是(shì)35%，这(zhè)两(liǎng)个(gè)值都高(gāo)于(yú)目前(qián)矽的(de)實(shí)際效率极(jí)限。
鈣钛矿材料的(de)應(yìng)用(yòng)前(qián)景非(fēi)常廣，例如(rú)光(guāng)通信(xìn)、、、。目前(qián)，备受關(guān)注和(hé)追捧的(de)要(yào)屬鈣钛矿太陽能(néng)电池。鈣钛矿太陽能(néng)电池投入(rù)市(shì)场(chǎng)以(yǐ)及(jí)大(dà)规模應(yìng)用(yòng)指日(rì)可(kě)待，並(bìng)有(yǒu)望引領未来太陽能(néng)电池市(shì)场(chǎng)的(de)新(xīn)走(zǒu)向(xiàng)。
韓國(guó)蔚山(shān)國(guó)立科技研究所(suǒ)（UNIST）發(fà)明(míng)的(de)鈣钛矿太陽能(néng)电池
阿卜杜拉國(guó)王科技大(dà)學(xué)（KAUST）采用(yòng)鈣钛矿納米(mǐ)晶體(tǐ)進(jìn)行照明(míng)和(hé)數據(jù)通信(xìn)
瑞士洛桑联邦理工學(xué)院(yuàn)采用(yòng)鈣钛矿材料進(jìn)行數據(jù)存儲
雖(suī)然鈣钛矿的(de)發(fà)展潛力巨大(dà)，但是(shì)仍有(yǒu)一(yī)些(xiē)因(yīn)素阻礙了其(qí)效率和(hé)一(yī)致性(xìng)。鈣钛矿晶體(tǐ)結構中(zhōng)的(de)小缺陷，也(yě)稱为(wèi)“陷阱（traps）”，将引起电子在(zài)其(qí)能(néng)量(liàng)能(néng)被(bèi)利用(yòng)之前(qián)産生(shēng)“遲滞效應(yìng)”。电子在(zài)太陽能(néng)电池材料中(zhōng)運動(dòng)得越方(fāng)便，材料将光(guāng)子（光(guāng)的(de)粒(lì)子）轉(zhuǎn)化(huà)电力的(de)效率就(jiù)会(huì)越高(gāo)。另(lìng)外(wài)一(yī)个(gè)問(wèn)題(tí)，就(jiù)是(shì)在(zài)遭(zāo)到(dào)光(guāng)线照射时(shí)，離子会(huì)在(zài)太陽能(néng)电池中(zhōng)移動(dòng)，從而(ér)引起能(néng)带(dài)隙（bandgap）的(de)變(biàn)化(huà)，即材料吸收(shōu)的(de)光(guāng)线顔色(sè)会(huì)發(fà)生(shēng)變(biàn)化(huà)。
創新(xīn)
近(jìn)日(rì)，英國(guó)劍橋(qiáo)大(dà)學(xué)（University of Cambridge ）領導的(de)國(guó)際科研团(tuán)隊發(fà)現(xiàn)，碘化(huà)鉀的(de)加入(rù)可(kě)以(yǐ)修複缺陷，阻止離子運動(dòng)，提(tí)升(shēng)低成(chéng)本(běn)鈣钛矿太陽能(néng)电池的(de)效率。这(zhè)種(zhǒng)新(xīn)一(yī)代(dài)的(de)太陽能(néng)电池可(kě)以(yǐ)作(zuò)为(wèi)效率提(tí)升(shēng)层(céng)，放(fàng)置于(yú)現(xiàn)有(yǒu)的(de)矽基太陽能(néng)电池頂部，或(huò)者(zhě)制作(zuò)成(chéng)單獨的(de)太陽能(néng)电池或(huò)者(zhě)彩色(sè)LED。研究結果(guǒ)發(fà)表(biǎo)于(yú)《自(zì)然（Nature）》雜志。
技術(shù)：这(zhè)項研究中(zhōng)用(yòng)到(dào)的(de)太陽能(néng)电池是(shì)基于(yú)金(jīn)屬鹵化(huà)物(wù)鈣钛矿，它们(men)是(shì)一(yī)组很有(yǒu)前(qián)途的(de)離子半導體(tǐ)材料，只(zhī)有(yǒu)短(duǎn)短(duǎn)几年(nián)的(de)開(kāi)發(fà)曆史，但是(shì)現(xiàn)在(zài)從光(guāng)电轉(zhuǎn)換效率方(fāng)面(miàn)来说(shuō)，它们(men)可(kě)與(yǔ)商用(yòng)的(de)薄膜光(guāng)伏技術(shù)相媲美(měi)。鈣钛矿廉價且(qiě)易于(yú)在(zài)低温(wēn)条(tiáo)件(jiàn)下(xià)制造，这(zhè)使得它们(men)非(fēi)常适合下(xià)一(yī)代(dài)太陽能(néng)电池和(hé)照明(míng)。
研究的(de)領头(tóu)人(rén)、劍橋(qiáo)大(dà)學(xué)卡(kǎ)文(wén)迪什(shén)實(shí)验(yàn)室的(de)博士 Sam Stranks 表(biǎo)示：“迄今为(wèi)止，我(wǒ)们(men)還(huán)沒(méi)能(néng)使得这(zhè)些(xiē)材料穩定地(dì)达(dá)到(dào)我(wǒ)们(men)想(xiǎng)要(yào)的(de)能(néng)带(dài)隙，所(suǒ)以(yǐ)我(wǒ)们(men)一(yī)直(zhí)嘗試通过(guò)調整鈣钛矿层(céng)的(de)化(huà)學(xué)成(chéng)分(fēn)，阻止離子運動(dòng)。这(zhè)将使得鈣钛矿可(kě)以(yǐ)作(zuò)为(wèi)多(duō)種(zhǒng)鈣钛矿电池或(huò)者(zhě)彩色(sè)LED（從本(běn)質(zhì)上(shàng)以(yǐ)逆向(xiàng)方(fāng)式運行的(de)“太陽能(néng)电池”）使用(yòng)。
在(zài)这(zhè)項研究中(zhōng)，研究人(rén)員将碘化(huà)鉀添加到(dào)鈣钛矿墨(mò)水(shuǐ)中(zhōng)，这(zhè)種(zhǒng)墨(mò)水(shuǐ)可(kě)自(zì)组装到(dào)薄膜中(zhōng)，改變(biàn)了鈣钛矿层(céng)的(de)化(huà)學(xué)成(chéng)分(fēn)。这(zhè)種(zhǒng)技術(shù)兼容卷(juǎn)对卷(juǎn)制程（roll-to-roll processes），这(zhè)意(yì)味着它是(shì)廉價且(qiě)可(kě)擴展的(de)。碘化(huà)鉀在(zài)鈣钛矿的(de)頂部形成(chéng)一(yī)个(gè)“装飾”层(céng)，可(kě)以(yǐ)修複缺陷，使得电子運動(dòng)得更(gèng)加自(zì)由(yóu)，同(tóng)时(shí)也(yě)限制了離子的(de)運動(dòng)，從而(ér)使得材料在(zài)期望的(de)能(néng)带(dài)隙条(tiáo)件(jiàn)下(xià)更(gèng)加穩定。
價值：研究人(rén)員論证了，这(zhè)種(zhǒng)鈣钛矿的(de)能(néng)带(dài)隙性(xìng)能(néng)頗具前(qián)景，非(fēi)常适合作(zuò)为(wèi)矽太陽能(néng)电池頂层(céng)或(huò)者(zhě)和(hé)配合另(lìng)外(wài)一(yī)层(céng)鈣钛矿使用(yòng)（因(yīn)此(cǐ)稱为(wèi)“疊层(céng)太陽能(néng)电池”）。矽疊层(céng)太陽能(néng)电池很可(kě)能(néng)是(shì)鈣钛矿首个(gè)大(dà)规模應(yìng)用(yòng)。通过(guò)添加一(yī)层(céng)鈣钛矿，光(guāng)线中(zhōng)更(gèng)廣範圍的(de)光(guāng)譜可(kě)被(bèi)更(gèng)有(yǒu)效地(dì)吸收(shōu)。
Stranks 的(de)研究受到(dào)了歐盟和(hé)歐洲(zhōu)研究理事(shì)会(huì)“地(dì)平线2020”項目的(de)贊助。他(tā)说(shuō)：“通过(guò)鉀，我(wǒ)们(men)使得疊层(céng)太陽能(néng)电池中(zhōng)的(de)鈣钛矿能(néng)带(dài)隙變(biàn)成(chéng)我(wǒ)们(men)期望的(de)那(nà)樣(yàng)穩定，並(bìng)使得它们(men)更(gèng)多(duō)地(dì)發(fà)光(guāng)，这(zhè)意(yì)味着太陽能(néng)电池的(de)效率将更(gèng)高(gāo)。它几乎完全(quán)控制了鈣钛矿中(zhōng)的(de)離子和(hé)缺陷。”
卡(kǎ)文(wén)迪什(shén)實(shí)验(yàn)室的(de)博士生(shēng)、論文(wén)的(de)第(dì)一(yī)作(zuò)者(zhě) Mojtaba Abdi-Jalebi 表(biǎo)示：“我(wǒ)们(men)發(fà)現(xiàn)鈣钛矿对添加剂非(fēi)常宽(kuān)容，你可(kě)以(yǐ)增加新(xīn)成(chéng)分(fēn)，它们(men)会(huì)變(biàn)得更(gèng)好(hǎo)。與(yǔ)其(qí)他(tā)光(guāng)伏技術(shù)不(bù)同(tóng)，我(wǒ)们(men)無需添加額外(wài)一(yī)层(céng)来提(tí)高(gāo)性(xìng)能(néng)，只(zhī)需将添加剂簡單地(dì)混合到(dào)鈣钛矿墨(mò)水(shuǐ)中(zhōng)。”
鈣钛矿和(hé)鉀组成(chéng)的(de)器件(jiàn)在(zài)測試中(zhōng)顯示出良好(hǎo)的(de)穩定性(xìng)，光(guāng)电轉(zhuǎn)換效率达(dá)21.5%，與(yǔ)目前(qián)zui佳的(de)鈣钛矿基太陽能(néng)电池相似，而(ér)且(qiě)接近(jìn)矽基太陽能(néng)电池的(de)實(shí)用(yòng)效率极(jí)限（29%）。由(yóu)两(liǎng)层(céng)鈣钛矿组成(chéng)的(de)、具有(yǒu)理想(xiǎng)能(néng)带(dài)隙的(de)疊层(céng)电池的(de)理論效率极(jí)限是(shì)45%，實(shí)際极(jí)限是(shì)35%，这(zhè)两(liǎng)个(gè)值都高(gāo)于(yú)目前(qián)矽的(de)實(shí)際效率极(jí)限。
