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科学家们通过带电原子展示光控电流传输

发布时间:2018-05-14  点击数:[2]

以前未知的光电效应:在某些材料中,如在钙钛矿甲基碘化铅(MAPI)中,离子对光诱导传导性非常强烈。像太阳能电池中常见的那样,光首先释放电子。剩余的带正电荷的孔中和晶体中带负电的碘离子。由于不带电荷的碘原子比碘离子小,因此它占据了碘离子不适合的间隙。晶格中产生的间隙允许离子传导的方式与电子空穴允许电子传导的方式非常相似。 ©马克斯普朗克固态研究所

em由受控原子带来的光控电流传输,现在首次展示,可以设想出新的应用。 / em

光线使得一些材料以先前无法预料的方式传导。在普通的硅太阳能电池中,当太阳照射时电子会流动。然而,位于斯图加特的马克斯普朗克固态研究所的科学家现在提出了一个惊喜:在用于太阳能电池的另一种材料特殊钙钛矿中,光不仅释放出电子,而且还释放带电荷的原子,称为离子。而且,这种新颖的光电效应非常大。离子电导率增加了一百倍。对于由这里研究的材料制成的太阳能电池,高光诱导离子电导率是相当有害的;但是,现在可以明确抵消后果。从斯图加特研究人员的角度来看,这种效应本身就具有突破性意义,因为它可以设想出新颖的光控电化学应用,例如直接由光线充电的电池。

就效率而言,硅太阳能电池设定了标准。但特别是对于效率特别高的光伏元件,硅的生产既复杂又昂贵。被称为钙钛矿的材料,由于它们的结构,在这里可以提供更便宜的替代品。由马克斯普朗克固态研究所所长Joachim Maier领导的一个科学家小组现在已经研究了光照如何影响基于钙钛矿甲基碘化铅(MAPI)的这些材料的电力输送。在与洛桑联邦理工学院(洛桑理工学院)进行研究的MichaelGrätzel合作期间,他们对这些材料感兴趣,并且是斯图加特Max Planck Institute的外部科学成员。

在他们的实验中,研究人员现在观察到,当原子被照射时,带电荷的原子会导致电导率达到意想不到的高度。在钙钛矿太阳能电池中,该效应会导致结构改变并损害效率。 “但是,我们的发现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,这种现象最令人兴奋的主要原因是它在光的帮助下产生释放可移动离子的基本可能性,即在电化学应用中传输电的电荷载体,例如电池,燃料电池或电化学传感器,以及开关。

一种机制将光生成的空穴转化为离子传导性

这种光影响离子转运只能在生物学中得到证实:照明能够间接改变细胞膜的通透性。然而,非常令人惊讶的事实是,结晶固体的离子传导可以直接修改,并且这种可能性达到了什么程度,“Joachim Maier说。他的团队观察到游离碘离子的数量如何增加了一百倍。因此,离子传导的增加程度与已知的光诱导电子传导率类似。

斯图加特的研究人员不仅通过实验证明了这一现象。他们也可以解释它。据他们说,光线最初释放出电子,就像太阳能电池中常见的那样。物理学家会说,负电荷的电子在晶格中留下带正电荷的空穴。这些中和否则带负电的晶体内的碘离子。由于不带电荷的碘原子比碘离子小得多,所以它占据了所谓的间隙空间,即晶格中的自由空间,其中较大的碘离子不适合。晶格中产生的间隙允许离子传导的方式与电子空穴允许电子传导的方式非常相似。 “这种效果的关键在于,有一种机制可以将由光产生的孔直接转换为离子导电性,”Joachim Maier说。

各种方法证明了毫无疑问的效果

研究人员使用各种方法来证明毫无疑问的效果。在最初的实验中,他们使用MAPI的电触点来阻断离子,也就是说,它们只允许电子通过。他们使用特定的电流并测量电压。如果离子参与电流流动,电压应该在短时间后增加,因为它们只能在开始时移动,但会被触点阻断。这正是斯图加特研究人员所观察到的。

研究人员利用钙钛矿作为照明电池的电解液相产生了一个开路电压,这也证明了离子传导的明确证据:如果材料中的电子主要传输电流,将发生短路,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。

研究人员在两个进一步的实验中直接证明了碘的运输。他们将钙钛矿的一面暴露于气态碘。他们在另一侧附着了一层铜膜,因为铜的反应形成碘化铜的倾向,所以它就像所谓的碘水槽一样。在照明下,这个过程发生的速度非常快。在钙钛矿样品中碘的传输也通过其中甲苯充当元素的外部汇的实验证明。研究人员在光谱学上证明,一旦钙钛矿被照亮,甲苯中的碘浓度就会增加。

类似的事情发生在不同的材料中吗?

迈尔强调,斯图加特科学家观察到的机制是可逆的。它不会破坏材料。只有当钙钛矿材料与永久结合碘的物质接触时,或者碘离开大气时,材料才会随着时间的推移而降解。

在不久的将来,研究人员并不打算只理解退化机制并最终阻止它们。根据Joachim Maier的观点,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,看看是否会出现类似现象,”Joachim Maier说。研究人员还关注如何在技术上利用这种效应的问题。要做到这一点,他们首先会开发一些想法,比如利用光线激发的存储,然后寻找合适的材料用于这种应用。 Joachim Maier说:“离子电导率代表了能源研究领域的一个关键现象。 “但在许多方面 - 特别是涉及到光照时 - 它仍然是未知领域。”斯图加特的马克斯普朗克研究人员打算改变这一点。

出版物:Gee Yeong Kim等人,“卤化物钙钛矿中离子传导的大可调光电效应及其对光分解的影响”,Nature Materials,2018年3月22日; DOI:10.1038 / s41563-018-0038-0

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