ORNL研究3D打印和钙钛矿结合，开发新一代高性能太阳能电池

2022年4月1日，南极熊获悉，橡树岭国家实验室（ORNL）的研究人员对钙钛矿有了新的发现，钙钛矿最初被认为是一种由钙、钛和氧组成的晶体。现在，ORNL利用纳米相材料科学中心(CNMS) 的先进设备对金属卤化物钙钛矿的结构有了新的发现。

该团队认为，他们可以设计出更高效、更坚固的太阳能电池和其他光伏设备，还包括3D打印设备。“这些材料大多是在静态条件下研究的，”该研究的主要研究者刘永涛解释说。“我们实时研究了这些材料，结果表明，这些离子迁移模式是将太阳能转化为电能的效率和太阳能电池稳定性的关键。”该研究还深入研究了这种结构如何与运动中的离子等现象相互作用，从而将光转化为电能。

△金属卤化物钙钛矿中晶格畸变、应变和离子分布的图示。图片来自ORNL

开发新一代高性能太阳能电池，解决气候变暖问题
这项研究背后的团队相信，它可以生产更高效、更强劲的光伏设备，有助于引领可靠的清洁能源可持续发展。Olga Ovchinnikova与ORNL共同对这项技术进行开发，当谈到了使用3D打印技术所带来的好处时，说道“我们可以使用该技术来制造可穿戴设备，把它们放在汽车上，当真正普及钙钛矿太阳能电池的时候。你可以把它们放在任何地方。Olga Ovchinnikova认为，在未来，3D打印技术未来将在这个领域发挥重要作用。”

钙钛矿与3D打印
虽然近年来ORNL已经使用3D打印技术，但问题是为什么一定是3D打印技术与钙钛矿结合?正如前面提到的，研究人员研究这种材料的主要原因之一是它的转换效率。目前，标准的多晶硅太阳能电池已经达到了23%的峰值转换效率，而钙钛矿似乎可以超过这个水平。虽然研究人员没有提到转换速率可能是多少，但他们指出，研究表明，这种材料具有巨大潜力。

此外，钙钛矿还因轻质、柔韧性和价格低廉而成为研究人员青睐的材料。由于这些特性，可以设计出可以覆盖任何类型表面的薄膜。在这种情况下，3D打印特有的可设计下性可以提供更大的优势，特别是在制造具有复杂几何形状零件时。

△钙钛矿太阳能电池。照片来自 Solliance

致力于更持久的钙钛矿
然而，目前由于一些技术上的限制，目前钙钛矿还不能完全普及。与硅相比，这种矿物降解得更快，这让它很不耐用。为了进行这样一项开创性的综合研究，该团队必须开发一套新的表征方法来分析从材料的化学到物理性质的所有方面。因此传统的质谱仪和扫描探针显微镜等设备还不能满足，所以研究人员正在使用ORNL的先进设备CNMS来解决这个问题。

“质谱仪没办法向我们展示离子是如何移动的，”Ovchinnikova 解释说。“因此，我们使用了一种将质谱仪和扫描探针显微镜结合在一个系统中的新型仪器。我们还在该系统上开发了一种方法，使我们能够在材料与光实时相互作用时看到离子的移动，并结合新的机器学习方法来获取数据并进行研究。”

该团队现在已经为他们设计的方法申请了专利。未来的工作将涉及使用这些技术开发更耐用的太阳能电池钙钛矿，以及将它们用于其他类别的材料以了解它们的特性。

△橡树岭国家实验室。照片来自 ORNL

Ovchinnikova总结道“现在我们更好地了解了一些基础物理学，我们正在研究如何设计和改进材料以增强其光伏效应。”

南极熊获悉，金属卤化物钙钛矿(mps)作为一种最具活性的材料，因其在光电子领域的优异性能而受到广泛的关注。由于它们的钙钛矿结构，铁电性预期在这类材料。然而，msps是否具有铁电性仍是一个谜。最近，人们也开始讨论msps中的铁弹性。此外，离子运动和结构动力学在MHPs中是众所周知的。这些现象包括电极化、应变、离子运动和结构动力学的相互作用可以对光电子学产生重大影响。如您对钙钛矿有兴趣也可以点击此链接，获取更多相关信息。