ORNL研究3D打印和鈣鈦礦結(jié)合，開發(fā)新一代高性能太陽能電池

2022年4月1日，南極熊獲悉，橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的研究人員對鈣鈦礦有了新的發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦最初被認(rèn)為是一種由鈣、鈦和氧組成的晶體。現(xiàn)在，ORNL利用納米相材料科學(xué)中心(CNMS) 的先進設(shè)備對金屬鹵化物鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)有了新的發(fā)現(xiàn)。

該團隊認(rèn)為，他們可以設(shè)計出更高效、更堅固的太陽能電池和其他光伏設(shè)備，還包括3D打印設(shè)備。“這些材料大多是在靜態(tài)條件下研究的，”該研究的主要研究者劉永濤解釋說。“我們實時研究了這些材料，結(jié)果表明，這些離子遷移模式是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率和太陽能電池穩(wěn)定性的關(guān)鍵。”該研究還深入研究了這種結(jié)構(gòu)如何與運動中的離子等現(xiàn)象相互作用，從而將光轉(zhuǎn)化為電能。

△金屬鹵化物鈣鈦礦中晶格畸變、應(yīng)變和離子分布的圖示。圖片來自O(shè)RNL

開發(fā)新一代高性能太陽能電池，解決氣候變暖問題
這項研究背后的團隊相信，它可以生產(chǎn)更高效、更強勁的光伏設(shè)備，有助于引領(lǐng)可靠的清潔能源可持續(xù)發(fā)展。Olga Ovchinnikova與ORNL共同對這項技術(shù)進行開發(fā)，當(dāng)談到了使用3D打印技術(shù)所帶來的好處時，說道“我們可以使用該技術(shù)來制造可穿戴設(shè)備，把它們放在汽車上，當(dāng)真正普及鈣鈦礦太陽能電池的時候。你可以把它們放在任何地方。Olga Ovchinnikova認(rèn)為，在未來，3D打印技術(shù)未來將在這個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。”

鈣鈦礦與3D打印
雖然近年來ORNL已經(jīng)使用3D打印技術(shù)，但問題是為什么一定是3D打印技術(shù)與鈣鈦礦結(jié)合?正如前面提到的，研究人員研究這種材料的主要原因之一是它的轉(zhuǎn)換效率。目前，標(biāo)準(zhǔn)的多晶硅太陽能電池已經(jīng)達(dá)到了23%的峰值轉(zhuǎn)換效率，而鈣鈦礦似乎可以超過這個水平。雖然研究人員沒有提到轉(zhuǎn)換速率可能是多少，但他們指出，研究表明，這種材料具有巨大潛力。

此外，鈣鈦礦還因輕質(zhì)、柔韌性和價格低廉而成為研究人員青睞的材料。由于這些特性，可以設(shè)計出可以覆蓋任何類型表面的薄膜。在這種情況下，3D打印特有的可設(shè)計下性可以提供更大的優(yōu)勢，特別是在制造具有復(fù)雜幾何形狀零件時。

△鈣鈦礦太陽能電池。照片來自 Solliance

致力于更持久的鈣鈦礦
然而，目前由于一些技術(shù)上的限制，目前鈣鈦礦還不能完全普及。與硅相比，這種礦物降解得更快，這讓它很不耐用。為了進行這樣一項開創(chuàng)性的綜合研究，該團隊必須開發(fā)一套新的表征方法來分析從材料的化學(xué)到物理性質(zhì)的所有方面。因此傳統(tǒng)的質(zhì)譜儀和掃描探針顯微鏡等設(shè)備還不能滿足，所以研究人員正在使用ORNL的先進設(shè)備CNMS來解決這個問題。

“質(zhì)譜儀沒辦法向我們展示離子是如何移動的，”O(jiān)vchinnikova 解釋說。“因此，我們使用了一種將質(zhì)譜儀和掃描探針顯微鏡結(jié)合在一個系統(tǒng)中的新型儀器。我們還在該系統(tǒng)上開發(fā)了一種方法，使我們能夠在材料與光實時相互作用時看到離子的移動，并結(jié)合新的機器學(xué)習(xí)方法來獲取數(shù)據(jù)并進行研究。”

該團隊現(xiàn)在已經(jīng)為他們設(shè)計的方法申請了專利。未來的工作將涉及使用這些技術(shù)開發(fā)更耐用的太陽能電池鈣鈦礦，以及將它們用于其他類別的材料以了解它們的特性。

△橡樹嶺國家實驗室。照片來自 ORNL

Ovchinnikova總結(jié)道“現(xiàn)在我們更好地了解了一些基礎(chǔ)物理學(xué)，我們正在研究如何設(shè)計和改進材料以增強其光伏效應(yīng)。”

南極熊獲悉，金屬鹵化物鈣鈦礦(mps)作為一種最具活性的材料，因其在光電子領(lǐng)域的優(yōu)異性能而受到廣泛的關(guān)注。由于它們的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，鐵電性預(yù)期在這類材料。然而，msps是否具有鐵電性仍是一個謎。最近，人們也開始討論msps中的鐵彈性。此外，離子運動和結(jié)構(gòu)動力學(xué)在MHPs中是眾所周知的。這些現(xiàn)象包括電極化、應(yīng)變、離子運動和結(jié)構(gòu)動力學(xué)的相互作用可以對光電子學(xué)產(chǎn)生重大影響。如您對鈣鈦礦有興趣也可以點擊此鏈接，獲取更多相關(guān)信息。