由硅和鈣鈦礦組合生產(chǎn)的太陽能電池，特別是含有碘和溴等混合鹵化物的變體，比傳統(tǒng)的硅太陽能電池更高效、更便宜，因為它們能將更大比例的太陽光轉(zhuǎn)化為電能。然而，鈣鈦礦在光的影響下會降解，因此它們還不能用于商業(yè)應(yīng)用。在結(jié)構(gòu)中替代陽離子（帶正電的離子）可以提高材料的穩(wěn)定性。來自AMOLF的研究人員現(xiàn)在揭示了這種改善源自于對結(jié)構(gòu)的壓縮，相當于對其施加相當大的壓力。他們已將結(jié)果發(fā)表在《Cell Reports Physical Science》上。

鈣鈦礦由鉛離子和碘、溴離子等鹵化物離子包圍組成。這就形成了一個3-D結(jié)構(gòu)，其籠子中充滿了陽離子，如甲基銨。問題是，如果該結(jié)構(gòu)被照亮，材料中會出現(xiàn)單獨的區(qū)域，主要是碘離子或主要是溴離子。這樣一來，鈣鈦礦中碘-溴混合物的優(yōu)勢就喪失了：大部分的光譜被轉(zhuǎn)化為熱能而不是電能。

Eline Hutter是一位化學家，直到今年才成為AMOLF的研究員，他認為通過將材料置于高壓下，可以防止鹵化物的自發(fā)分離。“當時，我并不確切知道為什么。我稱它為化學直覺。”

AMOLF的混合太陽能電池小組之前開發(fā)了一種在這種情況下非常有用的設(shè)置：瞬態(tài)吸收光譜儀（TAS），可以在非常高的壓力下測量鈣鈦礦的電子特性。“世界上沒有其他類似的設(shè)置，將TAS與壓力傳感器結(jié)合起來，”小組負責人Bruno Ehrler說。“但我最初對Eline的想法持懷疑態(tài)度，部分原因是我們要做的實驗似乎太有挑戰(zhàn)性。”

與她的同事Loreta Muscarella一起，Eline Hutter使用這種設(shè)置來測量材料被照亮后的情況。“如果材料上沒有壓力，我們觀察到溴和碘的分離。在3000巴的壓力下，我們看到分離不再發(fā)生。”

這一結(jié)果證實了Hutter的假設(shè)，即材料中的自由體積，以及相應(yīng)的壓力，對鹵化物的分離起著至關(guān)重要的作用。在如此高的壓力下生產(chǎn)太陽能電池是不切實際的。然而，有一個實用的解決方案，Hutter解釋說。“如果我們用較小的陽離子（如銫）替換鈣鈦礦籠中的陽離子，就會發(fā)生所謂的化學收縮，整個結(jié)構(gòu)都會收縮。這種效果和讓材料承受高壓完全一樣。”

Hutter和她的同事隨后用TAS證明，在這種被化學壓縮的鈣鈦礦中，不再發(fā)生碘和溴的分離。Hutter說，他們借此證明了理論中被遺忘的一個重要方面：材料的體積之前被排除在計算之外。“在我看來，這項研究之所以如此有趣，是因為外部壓力和內(nèi)部壓力之間的聯(lián)系。”

這是一個使鈣鈦礦穩(wěn)定的至關(guān)重要的發(fā)現(xiàn)，Ehrler說。“以往焦點大多集中在動力學上：延遲離子的運動以減緩分離。現(xiàn)在我們已經(jīng)證明，增加壓力，改變了熱力學：離子移動的速度一樣快，但碘和溴的分離不再是能量上的有利條件。所以，這種分離不會再發(fā)生了。”