挤压金刚石砧中的摇滚明星材料，使其足以稳定用于太阳能电池

SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的科学家发现，将有希望的卤化铅材料挤压到金刚石砧座中（左）会产生一种所谓的“黑色钙钛矿”（右），对于太阳能应用来说足够稳定。

有前途的卤化钙钛矿可以很好地将阳光转化为电能，但在室温下会分解。现在，科学家们发现了如何通过钻石砧细胞产生的压力来稳定它。

在被称为钙钛矿的材料中，最令人兴奋的材料是一种可以将日光转化为电能的材料，其效率与当今的商用硅太阳能电池一样，并且具有更便宜，更容易制造的潜力。

只有一个问题：这种材料可以采用四种可能的原子构型或相，其中三种是有效的，但在室温和正常环境下不稳定，它们很快恢复到第四相，这对于太阳能应用是完全没有用的。

现在，斯坦福大学和能源部的SLAC国家加速器实验室的科学家找到了一种新颖的解决方案：只需将无用版本的材料放入钻石砧盒中，然后在高温下挤压。这种处理将其原子结构微调成有效的构型，即使在室温和相对潮湿的空气中也能保持这种状态。

研究人员在《自然通讯》中描述了他们的研究结果。

斯坦福大学材料与能源科学研究所（SIMES）的SLAC研究员和研究人员Yu Lin说：“这是第一个使用压力来控制这种稳定性的研究，它确实打开了很多可能性。”

她说：“现在，我们已经找到了制备材料的最佳方法，有潜力将其扩大规模用于工业生产，并有可能使用相同的方法来处理其他钙钛矿相。”

寻找稳定性

钙钛矿的名称来自具有相同原子结构的天然矿物。在这种情况下，科学家研究了一种碘化铅，铯和铯的卤化钙钛矿。

这种材料的一个相称为黄色相，它没有真正的钙钛矿结构，因此不能用于太阳能电池。但是，科学家不久前发现，如果您以某种方式进行处理，它将变为黑色钙钛矿相，这对于将太阳光转化为电能非常有效。斯坦福大学教授和该研究的合著者温迪·毛（Wendy Mao）说：“这使得它成为备受追捧的焦点，并成为许多研究的重点。”

不幸的是，这些黑相在结构上也是不稳定的，并且趋于迅速坍塌回到无用的构造。此外，毛泽东说，它们只能在高温下高效运行，研究人员必须将这两个问题都克服，然后才能在实际设备中使用。

以前曾尝试用化学，应变或温度来稳定黑相，但仅限于无湿气的环境中，该环境不能反映太阳能电池在其中运行的实际条件。更现实的工作环境。

压力和热能解决问题

林和博士后研究员冯克与斯坦福大学毛研究小组的同事和Hemamala Karunadasa教授合作，设计了一种装置，将黄色相晶体挤压在称为金刚石砧座的金刚石尖端之间。在仍然施加压力的情况下，将晶体加热至450摄氏度，然后冷却。

科学家们说，在适当的压力和温度组合下，晶体从黄色变成黑色，并在释放压力后停留在黑色相中。它们可抵抗潮湿空气的腐蚀，并在室温下保持稳定和有效10到30天或更长时间。

通过X射线和其他技术的检验证实了材料的晶体结构发生了变化，SIMES理论家贾春景和托马斯·德沃罗的计算提供了洞悉压力如何改变结构和保留黑相的见解。

林说，将晶体变黑并保持这种状态所需的压力大约是大气压的1,000至6,000倍­，大约是合成钻石行业常规压力的十分之一。因此，进一步研究的目标之一是将研究人员从他们的金刚石砧座细胞实验中学到的知识转移到工业中，并扩大其生产过程，以使其进入制造领域。

参考：冯克，王晨旭，贾春景，内森·沃尔夫，闫洁娟，牛善元，托马斯·德沃罗，Hemamala I. Karunadasa，Wendy L. Mao和“通过压力导向的八面体倾斜来保持坚固的CsPbI3钙钛矿相”于琳，2021年1月19日，自然通讯。DOI：
10.1038 / s41467-020-20745-5

Wendy Mao和Hemamala Karunadasa也是SIMES的调查员。这项工作的一部分是在Argonne国家实验室的高级光子源和Lawrence Berkeley国家实验室的高级光源下进行的。它还使用了国家能源研究科学计算中心（NERSC）的资源。这三个都是美国能源部科学办公室的用户设施。大量资金来自美国能源部科学办公室。