【前沿】太阳能产业新星：二维钙钛矿晶体

发展迅速的钙钛矿电池，近几年来一直是太阳能产业的研究热点。而这次美国的研究人员利用自旋铸造技术制备了二维钙钛矿晶体，它又会给我们带来怎样的惊喜？

　　上图为用二维钙钛矿材料制作三种大面积太阳能电池左边的是室温铸造薄膜；中间偏上的是有问题的带隙样本；右边的是具有最佳能量性能的热铸试样。

　　为了使钙钛矿晶体更实用于新兴的太阳能产业，来自洛斯阿拉莫斯国家实验室、西北大学和莱斯大学的研究人员调整了晶体的生产方法，开发出一种新型的二维层状钙钛矿，它具有优异的稳定性，且其功率转换效率是之前的三倍多。莱斯大学的一位研究生Hsinhan Tsai解释说，晶体取向二十多年来一直是个谜，这是我们第一次在实际铸造过程中翻转晶体，这是我们的重大突破，使用自旋铸造技术来创建层状晶体，垂直于材料的电子流未被有机阳离子封锁。Hsinhan Tsai在洛斯阿拉莫斯国家实验室协助高级研究员Aditya Mohite工作，并领导一个合作项目，该项目成果定于本周发布在Nature杂志上。

　　本研究是洛斯阿拉莫斯任务的一部分，包括为加强国家能源安全而开展的多学科研究，该任务还包括探索可替代能源来源。关于二维材料的制造，最初在西北地区，化学系教授Mercouri G. Kanatzidis、Charles E. 、Emma H. Morrison 和Costas Stoumpos博士已探索一个有趣的二维材料，将膜定位于垂直衬底的位置。 Kanatzidis解释说，二维钙钛矿在钙钛矿研究中开辟了一个新的维度，并为新一代稳定的太阳能电池器件和新的光电器件如发光二极管、激光器和传感器等开辟了新的方向。

　　Kanatzidis解释说，这是协同作用的结果，我们的研究机构之间有着非常强大的协同作用，西北大学的材料设计团队设计并制备了该材料的高质量样本，试验表明该材料是非常有前景的。生产太阳能电池的阿拉莫斯团队有着高超的技能，优化电池使其具有更好的性能。在阿拉莫斯团队中，论文的另一个合著者Wanyi Nie表示，与现有的三维有机-无机晶体相比，新的二维钙钛矿在恒定的光照且暴露在空气中时显得更高效、更稳定。

　　目前面临的挑战是找到比三维钙钛矿性能更好的材料，它需要有优良的光学性能、优于之前材料20%的功率转化效率。但在光、湿度和加热条件下进行的应力测试中，如何提高材料的性能，仍是需要解决的问题。洛斯阿拉莫斯团队之前的工作，对三维钙钛矿效率恢复进行了深入观察。在没有光照时会超时一点，而转向更具弹性的二维材料时，会得出更好的结果。

　　在之前的二维晶体研究中，由于晶体的平面排列，当有机阳离子击中层之间的空隙时，电池的转化效率下降到4.73%，因此西北大学失去了研究的动力。但应用热铸造技术来创建更为线形、垂直排列的二维材料时，似乎消除了层之间的空隙，目前的转化效率达到12%。本项目的首席研究员Mohite说道，我们尝试生产单晶薄膜，不仅与光电子器件有关，而且和高效发光的应用程序也有很大关系，单晶薄膜使我们在当前的技术条件下有更强的竞争力。