我们对可持续能源发电技术的探索已经引导研究人员在许多类型的设备中研究各种材料及其组合。其中一种合成材料被称为“钙钛矿”,它成本低,易于生产,可用于太阳能电池。钙钛矿太阳能电池吸引了很多关注,因为它们的能量转换效率(即将阳光转化为电能的效率)近年来有了显著的提高。然而,由于一些问题,将它们用于大规模能源生产已被证明是困难的。
钙钛矿太阳能电池面临的一个问题是可重复性。这意味着很难持续地创建没有缺陷和孔洞的钙钛矿晶体层,这意味着总是可能发生与设计值的偏差,从而降低了它们的效率。从好的方面来看,研究人员发现,将钙钛矿与碳纳米管(CNTs)结合可以提高这些电池的效率。碳纳米管与钙钛矿结合的机理及其对碳纳米管钙钛矿太阳能电池性能的影响尚未得到深入研究。特别是,纯碳纳米管与钙钛矿的结合能力不是很好,这可能会损害两种材料界面的结构和导电性能。
因此,由Keiko Waki教授领导的东京工业大学团队对钙钛矿太阳能电池与不同类型的碳纳米管结合进行了一系列实验,试图提高其性能和稳定性,并了解其潜在机制。他们不仅使用了纯碳纳米管,而且还使用了结构中含有“含氧官能团”的碳纳米管,已知这可以加强碳纳米管与钙钛矿之间的相互作用,从而产生更好的界面并增强钙钛矿的结晶。
这项研究包括几个实验,提供了对碳纳米管-钙钛矿相互作用的许多方面的见解。首先,他们证明了功能化碳纳米管的电池优于纯碳纳米管的电池,并发现证据支持使用功能化碳纳米管时晶体更大,表面缺陷更少。然后,研究小组推断,如果存储在黑暗中,电池中的钙钛矿将经历再结晶过程,而碳纳米管中官能团的存在将对这一过程产生重大影响。这是通过将电池储存两个多月并随后测量其电特性来证实的(图1)。“我们发现了钙钛矿在室温下的自再结晶能力,在长期储存后其形态大大改善。然而,最有趣的结果是功能化碳纳米管能够利用自再结晶的性质,通过重构在钙钛矿和碳纳米管之间形成更强的连接,”Waki教授解释说。最值得注意的是,功能化的碳纳米管极大地改善了两种材料之间的接触,官能团可以防止钙钛矿受到水分的攻击,从而使自再结晶和界面重建得以进行,而不会出现明显的降解。研究小组还发现,通过不断地对太阳能电池进行频繁的测量,可以极大地加快再结晶过程,但这最终会影响它们的稳定性并降低它们的性能。
对钙钛矿太阳能电池的深入研究和改进方法非常有价值,因为它们使我们更接近清洁能源的新来源。“我们希望这项研究有助于生产具有更高稳定性和可重复性的钙钛矿,”Waki教授总结道。这些发现将成为另一块踏脚石,使我们有可能将钙钛矿太阳能电池视为保护地球的关键技术。
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