为纳米材料提供能量的新方法,以制造更好的太阳能电池和led灯

钙钛矿材料示意图

钙钛矿材料的有机分子可以增加其电子性质的示意图。资料来源:UCLA Samueli工程学院薛晶晶和王锐

加州大学洛杉矶分校的材料科学家和同事们发现,钙钛矿是一种很有前途的材料,可用于低成本、高性能的太阳能电池和led,它有一种以前未使用过的分子成分,可以进一步调节钙钛矿的电子特性。

钙钛矿以俄罗斯矿物学家列夫·佩洛夫斯基的名字命名,钙钛矿材料具有无机分子的晶体晶格结构,就像陶瓷一样,还有有机分子交织在一起。到目前为止,这些有机分子似乎只是服务于一种结构功能,并不能直接影响钙钛矿的电子性能。

由加州大学洛杉矶分校(UCLA)领导的一项新研究表明,当有机分子设计得当时,它们不仅可以保持晶格结构,而且有助于材料的电子特性。这一发现为改进材料的设计提供了新的可能性,从而可以制造出更好的太阳能电池和led。该研究的详细内容最近发表在科学

“这就像找到一条会玩新把戏的老狗,”加州大学洛杉矶分校萨穆埃尔工程学院(UCLA Samueli School of Engineering)小卡罗尔和劳伦斯·e·坦纳斯(Carol and Lawrence E. Tannas Jr.)工程学教授杨洋(音)说。他是这项研究的首席研究员。“在材料科学中,我们一直着眼于材料的原子结构以获得高效性能。我们的博士后和研究生并不认为任何事情都是理所当然的,他们深入挖掘,寻找新的途径。”

为了制造性能更好的钙钛矿材料,研究人员加入了一种特殊设计的有机分子,一种含有芘的有机铵。在它的表面,带正电的铵分子与芘分子连接——一个由碳原子组成的四重环。这种分子设计为钙钛矿提供了额外的电子可调性。

“钙钛矿的独特特性是它们具有高性能无机半导体的优势,以及聚合物容易和低成本的可加工性,”该研究的共同主要作者,加州大学洛杉矶分校材料科学与工程博士后学者王锐说。“这种新增强的钙钛矿材料现在为改进设计理念和提高效率提供了机会。”

为了证明钙钛矿的额外功效,该团队用这种材料建造了一个光伏电池原型,然后在连续的光照下测试了2000个小时。这种新电池继续以原效率的85%将光能转化为能量。这与同样材料制成的PV电池形成对比,但没有添加改变的有机分子,只保留原来效率的60%。

参考:“重新配置带边沿的光伏钙钛矿的共轭有机阳离子”晶晶雪,瑞王Xihan Chen Canglang姚明,小云,Kai-Li Wang Wenchao黄,天翼黄、赵Yepin,亚信翟孟董,肖恩Tan Ruzhang Liu Zhao-Kui王朱晨辉,Kai朱,马修·c·胡子Yanfa燕和杨杨,2021年2月5日,科学
DOI: 10.1126 / science.abd4860

该研究的其他主要合著者是UCLA材料科学博士后薛晶晶;以及位于科罗拉多州的美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)的陈西汉教授。其他通讯作者包括马修·比尔德,他是NREL的高级研究员,同时也是能源有机无机杂化半导体中心的主任;以及托莱多大学物理学和天文学教授颜发(音)。

其他作者来自加州大学洛杉矶分校;NREL;托莱多大学;扬州大学,中国;苏州大学,中国;澳大利亚莫纳什大学;和劳伦斯伯克利国家实验室。

这项研究是由美国能源部资助的。

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