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發(fā)展迅速的鈣鈦礦電池，近幾年來(lái)一直是太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的研究熱點(diǎn)。而這次美國(guó)的研究人員利用自旋鑄造技術(shù)制備了二維鈣鈦礦晶體，它又會(huì)給我們帶來(lái)怎樣的驚喜？ 上圖為用二維鈣鈦礦材料制作三種大面積太陽(yáng)能電池：左邊的是室溫鑄造薄膜；中間偏上的是有問(wèn)題的帶隙樣本；右邊的是具有最佳能量性能的熱鑄試樣。

為了使鈣鈦礦晶體更實(shí)用于新興的太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)，來(lái)自洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、西北大學(xué)和萊斯大學(xué)的研究人員調(diào)整了晶體的生產(chǎn)方法，開發(fā)出一種新型的二維層狀鈣鈦礦，它具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，且其功率轉(zhuǎn)換效率是之前的三倍多。萊斯大學(xué)的一位研究生Hsinhan Tsai解釋說(shuō)，晶體取向二十多年來(lái)一直是個(gè)謎，這是我們第一次在實(shí)際鑄造過(guò)程中翻轉(zhuǎn)晶體，這是我們的重大突破，使用自旋鑄造技術(shù)來(lái)創(chuàng)建層狀晶體，垂直于材料的電子流未被有機(jī)陽(yáng)離子封鎖。Hsinhan Tsai在洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室協(xié)助高級(jí)研究員Aditya Mohite工作，并領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)合作項(xiàng)目，該項(xiàng)目成果定于本周發(fā)布在Nature雜志上。

本研究是洛斯阿拉莫斯任務(wù)的一部分，包括為加強(qiáng)國(guó)家能源安全而開展的多學(xué)科研究，該任務(wù)還包括探索可替代能源來(lái)源。關(guān)于二維材料的制造，最初在西北地區(qū)，化學(xué)系教授Mercouri G. Kanatzidis、Charles E. 、Emma H. Morrison 和Costas Stoumpos博士已探索一個(gè)有趣的二維材料，將膜定位于垂直襯底的位置。 Kanatzidis解釋說(shuō)，二維鈣鈦礦在鈣鈦礦研究中開辟了一個(gè)新的維度，并為新一代穩(wěn)定的太陽(yáng)能電池器件和新的光電器件如發(fā)光二極管、激光器和傳感器等開辟了新的方向。

Kanatzidis解釋說(shuō)，這是協(xié)同作用的結(jié)果，我們的研究機(jī)構(gòu)之間有著非常強(qiáng)大的協(xié)同作用，西北大學(xué)的材料設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了該材料的高質(zhì)量樣本，試驗(yàn)表明該材料是非常有前景的。生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的阿拉莫斯團(tuán)隊(duì)有著高超的技能，優(yōu)化電池使其具有更好的性能。在阿拉莫斯團(tuán)隊(duì)中，論文的另一個(gè)合著者Wanyi Nie表示，與現(xiàn)有的三維有機(jī)-無(wú)機(jī)晶體相比，新的二維鈣鈦礦在恒定的光照且暴露在空氣中時(shí)顯得更高效、更穩(wěn)定。 目前面臨的挑戰(zhàn)是找到比三維鈣鈦礦性能更好的材料，它需要有優(yōu)良的光學(xué)性能、優(yōu)于之前材料20%的功率轉(zhuǎn)化效率。但在光、濕度和加熱條件下進(jìn)行的應(yīng)力測(cè)試中，如何提高材料的性能，仍是需要解決的問(wèn)題。洛斯阿拉莫斯團(tuán)隊(duì)之前的工作，對(duì)三維鈣鈦礦效率恢復(fù)進(jìn)行了深入觀察。在沒有光照時(shí)會(huì)超時(shí)一點(diǎn)，而轉(zhuǎn)向更具彈性的二維材料時(shí)，會(huì)得出更好的結(jié)果。

在之前的二維晶體研究中，由于晶體的平面排列，當(dāng)有機(jī)陽(yáng)離子擊中層之間的空隙時(shí)，電池的轉(zhuǎn)化效率下降到4.73%，因此西北大學(xué)失去了研究的動(dòng)力。但應(yīng)用熱鑄造技術(shù)來(lái)創(chuàng)建更為線形、垂直排列的二維材料時(shí)，似乎消除了層之間的空隙，目前的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到12%。本項(xiàng)目的首席研究員Mohite說(shuō)道，我們嘗試生產(chǎn)單晶薄膜，不僅與光電子器件有關(guān)，而且和高效發(fā)光的應(yīng)用程序也有很大關(guān)系，單晶薄膜使我們?cè)诋?dāng)前的技術(shù)條件下有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。