高效钙钛矿太阳能电池 促进太阳能电池发展

研究者使用简单高效的机械化学法一步制备了最具前景的光电材料——钙钛矿，这将促进太阳能电池的发展。同时他们还将机械化学的方法推广至了诸多有机-无机杂化材料的制备。

钙钛矿——一种能够极佳地吸收光线的化学物质，将成为太阳能的未来。归功于波兰华沙化学家们开发出的一种能够廉价且对环境安全的钙钛矿制备方法，这种材料迎来了它快速传播的机会。与传统的在较高温度的溶剂中制备钙钛矿不同，现在研究者可以使用固态机械化学的加工方法(研磨法)制备钙钛矿。

比起将化学药品的研磨同它的研究进展联系起来，我们更容易将其与老式制药过程中特有的研杵和研钵联系起来。是时候改变这种想法了。最近研究发现通过机械力可以在化学物质固态的条件下使其发生化学转变。波兰科学院物理化学研究所(IPC PAS)Janusz Lewinski教授带领的研究团队和华沙理工大学化学系的教师组成的团队多年以来一直在研究机械化学反应。

在他们的最新文章("Mechanosynthesis of the hybrid perovskite CH3NH3PbI3: characterization and the corresponding solar cell efficiency")中，华沙的研究者们描述了一个令人惊讶的简单而有效的获得钙钛矿(一种具有复杂的空间晶体结构的未来的光伏材料)的方法。

“机械化学能帮助我们合成各种无机-有机杂化功能材料，这对能源领域具有潜在的重大意义。我们最年轻的“后代”是高质量的钙钛矿。这些化合物可用于生产高效太阳能电池的薄感光层。”Lewinski教授说道。

钙钛矿是由其空间晶体结构特征定义的一大类材料。在自然界中，钙钛矿通常存在于钙钛(IV)氧化物CaTiO3矿石中。其中，钙原子位于立方体各顶角，氧原子位于立方体的面心，钛原子位于立方体的中心。在其他类型的钙钛矿结构中，可以构造各种有机和无机化合物，这意味着钛可以被替换，例如，铅、锡或锗。因此，可以调整钙钛矿的性能以适应特定的应用领域。例如，既可以用于光伏发电或催化作用又可以用在超导电磁铁，高压变压器，磁冰箱，磁场传感器或RAM存储器等方面。

乍一看，这种由IPC PAS开发的使用机械化学的方法制备钙钛矿的方法就像魔术一样神奇。

“将两种粉末倒入球磨机：一种是白色的碘化铵CH3NH3I，另一种是黄色的碘化铅PbI2。经过几分钟的研磨，研钵里未留下痕迹，只有一种混合均匀的黑色粉末：钙钛矿CH3NH3PbI3，”博士生Anna Maria Cieslak解释道(IPC PAS)。

“长时间地等待反应产物?溶剂?高温?用我们的方法，都不需要考虑这些问题!我们生产的化合物只需要固体在室温下反应即可，”Dr. Daniel Prochowicz(IPC PAS)说道。

机械化学合成的钙钛矿被送往瑞士综合理工学校的Michael Graetzel 教授的团队处，在那里的实验室，研究者将用它们建立一个新的太阳能电池。结果证明，用机械化学法合成的钙钛矿组成的电池其性能比具有同样结构，但通过传统的涉及溶剂的方法合成的钙钛矿组成的电池性能增大了10%。

“机械化学法合成钙钛矿是合成此类材料的最环保的方法，简单，快速并且有效，是工业应用理想的选择。我们可以负责任地说：钙钛矿是具有未来性的材料，而机械化学法是钙钛矿的未来，”Lewinski教授总结道。

钙钛矿并不是Lewinski教授的团队用机械化学法合成的唯一的一组三维材料。在最近的出版物中，华沙的研究人员表明利用球磨技术，他们也能合成有机-无机微孔MOF(金属有机框架)材料。这些材料的空隙是各种化学物质填充的最佳场所，包括氢原子。