混合鈣鈦礦是一種有效且相對便宜的太陽能電池材料，但在穩定性方面落後於硅。粉色和灰色成分代表結合了有機陽離子的無機鈣鈦礦骨架。圖片：Aleksandra Oranskaia
KAUST研究人員預測，擴大包含鈣鈦礦型太陽能材料的有機成分的列表可以提高其長期穩定性和性能。
鈣鈦礦最近在太陽能材料研究中備受關注，因為它們可以幾乎像傳統的硅太陽能電池一樣高效地收集太陽能，並且更便宜、更容易生產。鈣鈦礦仍然落後於硅的領域之一是其長期穩定性。現在，來自KAUST太陽能中心的烏多·施溫根施洛格（Udo Schwingenschlögl）和他的博士生亞歷山德拉·奧蘭斯卡亞（Aleksandra Oranskaia）找到了可能的解決方案。
研究最多的太陽能鈣鈦礦包括帶負電的鹵化鉛無機骨架，以及帶正電的有機陽離子，例如甲胺根（MA，methylammonium）或甲脒根（FA，Formamidinium）。這些原子以高度規則的順序結合。鹵化鉛組分主要負責與光的相互作用，而有機組分更多的起支撐作用，提供結構穩定性。但是，這些材料相對較差的穩定性仍然限制了它們的商業開發。
使用計算模型，奧蘭斯卡亞和施溫根施洛格檢查了太陽能鈣鈦礦材料的有機成分，尋找提高FA鉛鹵化物鈣鈦礦穩定性的方法。“我們的動機是將新的計算方法應用於鈣鈦礦太陽能電池領域最熱門的問題之一。”奧蘭斯卡亞說。
實驗研究表明，基於FA的鈣鈦礦比MA更穩定。因此，研究小組首先比較了MA和FA的鍵合強度，重點是非共價鍵合形式，例如氫鍵合。然後，他們研究了在FA鉛鹵化物鈣鈦礦結構中添加其他有機“摻雜劑”是否可以進一步增強穩定性。
施溫根施洛格說：“我們首次證明了有機陽離子的非共價鍵結合強度可用於改善雜化鈣鈦礦材料。”。儘管共價鍵最強，但其他類型（包括有機陽離子摻雜劑和鹵化鉛組分之間的氫鍵和鹵素鍵）有助於穩定鈣鈦礦結構。
“我們證明，摻雜適當體積和形狀的有機陽離子（那些通過氫鍵和鹵素鍵比FA更牢固地鍵合到無機骨架上的有機陽離子）可以穩定材料，”奧蘭斯卡亞說。具有共價和非共價鍵的氯原子或離子的有機陽離子被證明是特別有效的：它們有助於抑制破壞性的鹵化物運動（稱為X遷移）。施溫根施洛格說：“這提供了提高鹵化鉛太陽能電池性能的策略。”。
施溫根施洛格補充說，該小組的下一個計劃是研究非共價相互作用對其他太陽能相關材料的相穩定性的影響。
閱讀更多 孜然實驗室 的文章
