科学边界哦 16小时前
撒把"盐"造晶体:太阳能电池1400小时后仍保住85.8%效率
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在结冰的路面上撒盐,能让打滑的路面融化、让轮胎重新抓住地面。美国能源部阿贡国家实验室的科学家们,把这套再朴素不过的原理搬进了晶体生长炉里,用来解决钙钛矿晶体一个拖了近十年的老毛病。这类人工培育的晶体,是太阳能电池板、显示屏和相机传感器的核心材料。

问题出在晶体形成的那一刻。在常规条件下,钙钛矿晶体长着长着就会冒出微观缺陷,这些缺陷像一个个小坑,把电荷困住,能量被白白消耗,器件的寿命也跟着缩短。研究作者、阿贡 X 射线科学部门的束线科学家罗彦奇(Yanqi Luo)把话说得很直白:" 缺陷几乎是十年来卡住钙钛矿的瓶颈。如果我们能去掉主要缺陷,就终于可以开始造更耐用、表现更可靠的器件了。"

研究团队这次用的办法,是一种被称为共晶法的挥发性低熔点工艺。他们往体系里加了两种特定的盐添加剂——溴化锌和甲基氯化铵,让它们来引导晶体生长。道理和路面撒盐一样:盐能降低水的凝固温度,这两种添加剂则降低了钙钛矿原料的熔点。加热之后,混合物会短暂变成一锅液态的 " 雪泥 "。

关键就在这段短暂的液态时间里。原子不再匆匆冻结成一团杂乱、满是缺陷的排列,而是有了时间慢慢沉降、排成整齐均匀的网格。随着加热继续,加入的盐会完全蒸发,只留下一层纯净、高度稳定的晶体层,结构上的 " 陷阱 " 也随之消失。与此同时,残留的锌原子会飘向尚未愈合的断层线,在缺陷破坏性能之前把它们抹平。

要证明这套机制真的在起作用,需要相当不寻常的工具。团队利用阿贡先进光子源(APS)和纳米材料中心(CNM)的高强度 X 射线探针,在同一时间点同时测绘材料的成分与光学性能,并实时观察到锌原子主动移动、修补断层线的过程。

数据也给出了回报。研究论文指出,用这种挥发性共晶法制备的太阳能电池,认证功率转换效率达到25.9%;尺寸更大的钙钛矿微型组件则达到23.9%。小面积电池在85 ° C下连续运行1,400 小时后,仍保持了初始效率的85.8%。同一工艺还被用来驱动发光二极管,外量子效率达到26.1%。

比起理论上的成功,这项进展对制造环节的意义同样实在。盐辅助机制让晶体能够平滑、一致地生长,制造商因此可以在大面积上扩大生产,而不必牺牲质量控制。

接下来,团队打算把观察做得更细。先进光子源近期完成升级,X 射线亮度最高提升到原来的500 倍,科学家们计划从一张张 " 快照 " 式分析,转向连续、电影般的晶体生长全程观察。相关发现已发表在《科学》(Science)期刊上。

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