新發(fā)現(xiàn)：通過(guò)硫氰酸鹽替代可實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦的穩(wěn)定性

美國(guó)化學(xué)會(huì)雜志 · 2023-09-01 14:18:54

通過(guò)向其結(jié)構(gòu)中引入硫氰根離子（SCN–），可以穩(wěn)定室溫下的α-FAPbI3，這是一種具有立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有前景的太陽(yáng)能電池材料。......

東京工業(yè)大學(xué)的研究人員在一項(xiàng)新研究中證明，通過(guò)向其結(jié)構(gòu)中引入硫氰根離子（SCN^–），可以室溫下穩(wěn)定α-FAPbI₃的狀態(tài)，而這是一種具有立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的有前景的太陽(yáng)能電池材料。他們的發(fā)現(xiàn)為通過(guò)晶界和偽鹵化物工程穩(wěn)定α相提供了新的見(jiàn)解。

這項(xiàng)研究成果發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》上。

如果能高效利用，我們每天從太陽(yáng)中接收到的光線可以幫助我們應(yīng)對(duì)當(dāng)前的全球能源危機(jī)以及對(duì)氣候變化的關(guān)切。具有良好光物理性質(zhì)（即吸光能力）的材料被用于設(shè)計(jì)太陽(yáng)能電池，將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能。

我們每天從太陽(yáng)接收到的光，如果有效利用，可以幫助我們解決目前的全球能源危機(jī)，以及我們對(duì)氣候變化的關(guān)注。具有良好光物理特性(即吸光能力)的材料被用于設(shè)計(jì)太陽(yáng)能電池，將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能。

在這方面最近取得了進(jìn)展的一種材料是α-甲酰胺鉛碘化物或α-FAPbI₃（其中FA+ = CH(NH₂)²⁺），它是一種具有立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的結(jié)晶固體。

由α-FAPbI₃制成的太陽(yáng)能電池展示了卓越的25.8%轉(zhuǎn)換效率和1.48 eV的能隙，這些規(guī)格在實(shí)際應(yīng)用中非常理想。不幸的是，α-FAPbI_3?在室溫下是亞穩(wěn)態(tài)的，在受到水或光的觸發(fā)時(shí)會(huì)發(fā)生相變?yōu)棣?FAPbI₃。δ-FAPbI₃的能隙遠(yuǎn)大于太陽(yáng)能電池應(yīng)用的理想值，使得保持α相對(duì)于實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，東京工業(yè)大學(xué)（東京工大）的山本教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)最近提出了一種穩(wěn)定α-FAPbI₃的新策略。該團(tuán)隊(duì)關(guān)注通過(guò)引入偽鹵離子硫氰根離子（SCN^–）來(lái)穩(wěn)定α-FAPbI₃的機(jī)制。

山本博士解釋說(shuō)：“先前的研究已經(jīng)表明，將FAPbI₃的表面陰離子從碘化物（I^–）部分替換為硫氰根離子（SCN^–）可以穩(wěn)定α相。然而，SCN^–離子如何在鈣鈦礦晶格中整合并增加界面穩(wěn)定性仍不清楚?！?/p>

團(tuán)隊(duì)首次制備了硫氰酸鹽穩(wěn)定的偽立方鈣鈦礦的單晶和粉末樣品。結(jié)構(gòu)分析表明，它具有具有有序柱狀缺陷的立方鈣鈦礦的√5倍超結(jié)構(gòu)，構(gòu)成α'相。新材料在室溫下在干燥大氣中具有熱力學(xué)穩(wěn)定性，并展示了1.91 eV的能帶隙。

該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在含有δ相的樣品中存在α'相，可以促進(jìn)δ到α相的相變，將轉(zhuǎn)變溫度降低了100 K以上。他們指出，α'相中的缺陷有序模式可以在雙晶界面形成巧合點(diǎn)陣，通過(guò)降低成核能量或通過(guò)外延熱力學(xué)穩(wěn)定來(lái)穩(wěn)定α相。

研究人員獲得的這些見(jiàn)解可以促進(jìn)對(duì)鹵化物鈣鈦礦的空位有序排列和缺陷容忍性對(duì)穩(wěn)定性的進(jìn)一步研究?！斑@項(xiàng)工作表明，通過(guò)偽鹵離子和晶界工程可以穩(wěn)定α-FAPbI₃，這對(duì)于試圖開(kāi)發(fā)具有理想能隙和優(yōu)異轉(zhuǎn)換效率的新的熱力學(xué)穩(wěn)定太陽(yáng)能電池材料的科學(xué)家可能是有益的，”山本博士總結(jié)道。

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