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科学家通过带电原子展示光控电流运输

时间:2021-12-05 13:58:05来源:

先前未知的去拍薄膜:在一些材料中,例如在钙钛矿甲基铅碘化物(MAPI)中,离子对光诱导的导电性有贡献。通常在太阳能电池中,光最初释放电子。剩余的带正电的孔中和晶体中带负电荷的碘离子。因为没有充电的碘原子小于碘离子,所以它占据间质空间,其中碘离子不合适。晶格中的所得间隙允许离子传导与电子孔允许电子传导相同。© Max Planck固体研究所研究所

光控电流通过带电原子运输,现在首次展示,使新的应用程序可以想到。

光线使一些材料在以前的不可预见的方式中导电。在常见的硅太阳能电池中,当阳光普照时,电子流动。然而,基于斯图加特的Max Planck固体研究所的科学家们现在已经出现了一个惊喜:在一个特殊的佩洛斯基特,用于太阳能电池的另一种材料,光不仅释放电子,而且是电荷的原子,称为离子。此外,这种新颖的光学缩小非常大。离子电导率增加一百个。对于由本文研究的材料制成的太阳能电池,高光诱导的离子电导率相当损害;然而,现在可以专门抵消后果。从斯图加特的研究人员的角度来看,效果本身就是接地,因为它使得新颖的轻控制电化学应用可以想到,例如通过光线直接充电的电池。

施及效率时,硅太阳能电池设定标准。但特别是对于具有特别高效率的光伏元件,硅生产既复杂又昂贵。由于其结构,材料称为Perovskites,可以在这里提供更便宜的替代品。Max Planck Solid Station研究所主任Joachim Maier领导的科学家们现在已经检查了基于Perovskite甲基铅碘化物(MAPI)的光在这些材料中影响电力的运输。他们对这些材料的兴趣是在与MichaelGrätzel的合作中引起的,他在ÉcoleGolytechniqueFédéraledeLausanne(EPFL)进行了研究,并且是基于斯图加特的最大普朗克研究所的外部科学成员。

在他们的实验中,研究人员现在观察到,当材料被照射时,离子是带电原子的导电效果导致意外高度的电导率。在Perovskite太阳能电池中,效果可能导致结构改变和损害效率。“然而,我们的调查结果可能有助于防止这种老化过程,”Joachim Maier说。然而,对于化学家来说,这种现象主要是最令人兴奋的,因为它在光的帮助下产生了释放移动离子的基本可能性,即那些在电化学应用中运输电力,诸如电池,燃料电池或电化学传感器等电荷载体的可能性开关。

机构将光产生的孔转化为离子电导率

这种光影响离子转运仅在生物学中证明了离子转运:照明能够间接地改变细胞膜的渗透性。然而,“非常令人惊讶的是,结晶固体的离子传导可以直接修改,并且在多大程度上是可能的,”Joachim Maier说。他的团队观察到自由碘离子数量的数量如何增加一百个。因此,离子传导在类似的程度上增加,就像发光的电子导电率一样已知的程度。

斯图加特的研究人员不仅在实验上展示了这一现象。他们也可以解释一下。根据它们,光最初释放电子,通常在太阳能电池中通常。由于物理学家说,带负电的电子在晶格中留下带正电的孔。这些中和晶体内的其他带负电荷的碘离子。因为不带电的碘原子比碘离子小得多,所以它占据所谓的间质空间,即,晶格中的自由空间,其中较大的碘化离子不合适。晶格中的所得间隙允许离子传导与电子孔允许电子传导相同。“对这种效果至关重要的是,有一种机制,可以将光线直接产生的孔转化为离子电导率,”Joachim Maier说。

各种方法证明了毫无疑问的影响

研究人员使用了各种方法来证明毫无疑问的影响。在初始实验中,它们使用了阻挡离子的MAPI的电触点,即它们仅允许电子传递。它们使用特定电流并测量电压。如果离子参与电流,则电压应该在短时间内增加,因为它们只能最初移动,但是被触点阻挡。这正是斯图加特观察到的研究人员。

还通过在开路中测量的电压提供了离子传导的清晰证据,该电压由研究人员使用钙钛矿作为照明电池单元的电解质相产生:如果材料中的电子主要传输电流,则会发生短路,并且不会产生电压。然而,使用离子导电材料作为电解质,可以测量预期的电池电压。

研究人员在另外两个实验中直接证明碘输送。它们暴露于钙钛矿的一侧至气态碘。它们将铜膜附着到另一侧,其用作所谓的碘水池,因为其与形成铜碘化铜的反应的倾向。在照明下,该过程以非常高的速度发生。还通过实验证明了钙钛矿样品中碘的运输,其中甲苯作用为元件的外部水槽。研究人员在光谱上证明了甲苯中碘浓度一旦照亮钙钛矿就会增加。

在不同的材料中是否发生类似的事情?

吉尔强调,科特加特科学家观察的机制是可逆的。它不会破坏材料。只有当钙钛矿材料与永久粘合碘的物质接触时,或者当碘进入大气中时,物质会随着时间的推移而降解。

在不久的将来,研究人员没有意图成为内容,只能了解劣化机制并最终阻止它们。根据Joachim Maier的说法,更重要的是调查效果本身,因为它代表了固态研究的新颖性。“我们将检查其他材料,看看是否发生类似的现象,”Joachim Maier说。研究人员还侧重于如何在技术上利用这种效果的问题。为此,他们将首先开发思想,例如利用光刺激的存储,然后寻找适合的这些应用。“离子电导率代表了能源研究背景中的关键现象,”Joachim Maier说。“但在很多方面 - 特别是在接触光线时 - 它仍然是Terra Incognita。”斯图加特的最大普朗克研究人员打算改变这个。

出版物:Gee Yeong Kim,等人,“哈利河畔卤化物疫情的大型调节照片和对光学分解的影响,”自然材料,2018年3月22日; DOI:10.1038 / s41563-018-0038-0

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