硅的 "廉价 "替代品-Perovskites刚刚变得更有效率了
发布时间：2023-02-17 08:00:00 阅读数： 46
这幅来自郭氏实验室的插图显示了过氧化物材料（青色）和金属-电介质材料的基底之间的相互作用。红色和蓝色的配对是电子-空穴对。从基底反射出来的镜像减少了过氧化物中的激发电子与它们的原子核重新结合的能力，提高了过氧化物收集太阳能的效率。资料来源：Chloe Zhang
硅是一种标准的半导体材料，被用于大量的应用中--计算机中央处理器（CPU）、半导体芯片、探测器和太阳能电池--是一种丰富的、天然存在的材料。然而，它的开采和提纯都很昂贵。
过氧化物--一个因其晶体结构而得名的材料家族--近年来显示出非凡的前景，可作为太阳能电池和检测器中硅的一种成本低得多、同样有效的替代品。现在，由罗切斯特大学光学教授郭春雷领导的一项研究表明，过氧化物可能会变得更加高效。
研究人员通常在湿式实验室中合成过氧化物，然后将该材料作为玻璃基材上的薄膜，并探索各种应用。
Guo则提出了一种新颖的、基于物理学的方法。通过使用金属层或金属和电介质材料交替层的基底--而不是玻璃--他和他的合著者发现他们可以将过氧化物的光转换效率提高250%。
他们的发现发表在《Nature Photonics》上。
"Guo说："在过氧化物中，没有人得出这样的观察结果。"突然间，我们可以把一个金属平台放在过氧化物下面，彻底改变过氧化物内部电子的相互作用。因此，我们使用一种物理方法来设计这种互动。"
新颖的包晶石-金属组合创造了 "许多令人惊讶的物理学
金属可能是自然界中最简单的材料，但它们可以被制成获得复杂的功能。郭氏实验室在这个方向上有丰富的经验。该实验室已经开创了一系列技术，将简单的金属转化为漆黑的、超亲水的（吸水）或超疏水的（拒水）。在他们最近的研究中，这些增强的金属已被用于太阳能吸收和水净化。
在这篇新论文中，郭氏实验室没有提出增强金属本身的方法，而是展示了如何利用金属来增强过氧化物的效率。
"一块金属可以做的工作和湿法实验室里复杂的化学工程一样多，"郭说，并补充说新的研究可能对未来的太阳能采集特别有用。
在太阳能电池中，来自太阳光的光子需要与电子相互作用并激发电子，使电子离开其原子核并产生电流，Guo解释说。理想情况下，太阳能电池将使用弱的材料将激发的电子拉回原子核并停止电流。
郭的实验室证明，通过将过氧化物材料与金属层或由贵金属银和电介质氧化铝的交替层组成的超材料衬底相结合，可以大大防止这种重组。
结果是通过 "许多令人惊讶的物理学 "大大减少了电子重组，Guo说。实际上，金属层作为一面镜子，产生了电子-空穴对的反转图像，削弱了电子与空穴重组的能力。
该实验室能够使用一个简单的检测器来观察由此产生的250%的光转换效率。
在过氧化物成为实际应用之前，必须解决几个挑战，特别是它们相对快速的降解趋势。目前，研究人员正在竞相寻找新的、更稳定的过氧化物材料。
"Guo说："随着新的过氧化物的出现，我们可以使用我们基于物理学的方法来进一步提高其性能。
共同作者包括Kwang Jin Lee、Ran Wei、Jihua Zhang和Mohamed Elkabbash，他们都是Guo Lab的现任和前任成员；以及Ye Wang、Wenchi Kong、Sandeep Kumar Chamoli、Tao Huang和Weili Yu，他们都来自中国长春光学、精细机械和物理研究所。
更多信息：Kwang Jin Lee et al, Gigantic suppression of recombination rate in 3D lead-halide perovskites for enhanced photodetector performance, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-022-01151-3
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