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港城大AEnM：鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率和穩(wěn)定性大幅提升？離不開(kāi)超高分辨散射式近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的助力！

在綠色能源的發(fā)展得到世界各國(guó)越來(lái)越多的重視與青睞的今天，光伏科技和太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)與技術(shù)研發(fā)成為了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界共同的焦點(diǎn)。而這其中最被廣泛關(guān)注的當(dāng)屬使用具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料所合成的太陽(yáng)能電池。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)是具有通式ABX₃結(jié)構(gòu)的一類(lèi)化合物，除了CaTiO₃外，還有BiFeO₃、CsPbI₃也具有這一結(jié)構(gòu)?；阝}鈦礦結(jié)構(gòu)材料所合成的電池則一般被統(tǒng)稱(chēng)為有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PVSCs）。在光伏領(lǐng)域的研究中，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池因其能量轉(zhuǎn)化率在近幾年的飛速提高而備受關(guān)注。其中的佼佼者更是可以達(dá)到25%的能量轉(zhuǎn)化率。

然而，在我們期待上述的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)應(yīng)用的時(shí)候，一個(gè)無(wú)法回避的問(wèn)題出現(xiàn)在了研究者的面前：這種電池的環(huán)境敏感性非常之高。在電池的使用過(guò)程中，其性能穩(wěn)定性和使用壽命很容易被環(huán)境濕度，環(huán)境熱度，環(huán)境光照所影響，且這種影響多為負(fù)面影響。也就是說(shuō)，要想讓PVSCs能夠被大規(guī)模應(yīng)用，其環(huán)境耐性必須得到改進(jìn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，香港城市大學(xué)Fengzhu Li于今年（2022年）4月在Advance Energy Materials中發(fā)表了等離激元局域光熱現(xiàn)象調(diào)控鈣鈦礦太陽(yáng)能電池應(yīng)力以提升效率和穩(wěn)定性的研究工作。該課題組發(fā)現(xiàn)二氧化硅包覆的金納米管（GNR@SiO₂）可有效提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能，尤其通過(guò)減小材料生成過(guò)程中所產(chǎn)生的殘留應(yīng)變，在維持電池高效轉(zhuǎn)化率（23%）的前提下，大幅提高了電池的工作穩(wěn)定性。這種GNR@SiO₂有著8.2 nm的平均直徑和40 nm的平均長(zhǎng)度。其中的二氧化硅外殼結(jié)構(gòu)的厚度在15 nm左右。

在通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)流程測(cè)得生成的太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到23%之后，接下來(lái)研究者的關(guān)注點(diǎn)則聚焦到了GNR@SiO₂對(duì)電池穩(wěn)定性——也就是鈣鈦礦材料層的穩(wěn)定性的提高之上。在此研究中，Neaspec研發(fā)的近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡起到了至關(guān)重要的作用?？蒲姓呃么嗽O(shè)備獲取了相關(guān)材料基于中紅外激光吸收的形貌圖（光學(xué)成像）和與之對(duì)應(yīng)的納米傅里葉紅外光譜結(jié)果。實(shí)驗(yàn)使用了一臺(tái)相干寬波長(zhǎng)中紅外激光器，通過(guò)Neaspec近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡將激光聚焦于鍍鉑金AFM針尖，從而表征了四組參照薄膜材料：（a）新生成的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料（PVK）（b）新生村的摻雜了GNR@SiO₂的PVK（c）經(jīng)過(guò)疲勞測(cè)試的PVK（d）經(jīng)過(guò)疲勞測(cè)試的GNR@SiO₂的PVK。

在PVK所對(duì)應(yīng)的中紅外成像和納米傅里葉紅外光譜中，信號(hào)的產(chǎn)生主要源自材料里的甲脒結(jié)構(gòu)中的非對(duì)稱(chēng)碳氮鍵的拉伸模式的變化。所有之后的分析都是基于上述四種材料所產(chǎn)生的這種信號(hào)（對(duì)應(yīng)材料中甲脒的濃度也就是材料的降解程度）。下圖a-d對(duì)應(yīng)四種材料的1700  cm^–1 中紅外激光成像結(jié)果。而為了研究疲勞測(cè)試對(duì)材料穩(wěn)定性的影響，研究者在每個(gè)結(jié)果中都選取了5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，直接進(jìn)行納米傅里葉紅外光譜的測(cè)試 （下圖 e-h）。研究者通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在沒(méi)有摻雜GNR@SiO₂的PVK中，疲勞測(cè)試使得材料的甲脒含量降到了原來(lái)的45%。而通過(guò)摻雜GNR@SiO₂，PVK中的則能維持在原來(lái)的75%?？梢?jiàn)，摻雜GNR@SiO₂有效地減慢了PVK薄膜材料的降解和損耗速度。而使得這一結(jié)果得以獲得的，正是Neaspec的近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡可以同時(shí)對(duì)樣品進(jìn)行中紅外成像和納米傅里葉紅外吸收譜分析的這一特性。

參考文獻(xiàn)：

[1]. Fengzhu Li, Tsz Wing Lo, Xiang Deng, Siqi Li, Yulong Fan, Francis R. Lin, Yuanhang Cheng, Zonglong Zhu, Dangyuan Lei*, Alex K.-Y. Jen*, Plasmonic Local Heating Induced Strain Modulation for Enhanced Efficiency and Stability of Perovskite Solar Cells, Advanced Energy Materials，DOI: 10.1002/aenm.202200186