楊培東 Nat. Mater. :熱致變色鈣鈦礦太陽能電池

【引言】

智能窗戶可以持續可逆的調節可見光的透過率，常見的變色材料有：熱致變色材料、電致變色材料和液晶材料。多數智能窗戶只能夠簡單控制太陽光的吸收和反射，卻不能將太陽能轉換為可有效利用的能源。如今，越來越多的半透明薄膜光伏器件展現出優異性能，可以作為智能窗戶提供遮陽、發光和供能等功能，但是該類光伏材料卻沒有變色的性能。因此，將具備大色差和高透明度變色材料與具有良好吸光能力的光伏材料組裝成多結串聯器件，可以制備智能光伏變色窗戶。由于每個特定晶體結構的原子排列不同，具有結構相變的材料被發現與光學、電學或熱學性質有著本質的聯系。大多數半導體不可能可逆地在透明相和非透明相之間切換的同時又保證其電學特性不會發生改變。因此開發一種同時具有變色性能與光伏特性的智能窗戶薄膜材料仍然是個難題。

鈣鈦礦光伏材料的出現為這一難題帶來了轉機。銫鉛碘溴(CsPbI_3-xBr_x)是一種純無機鈣鈦礦材料，該材料具有優異的熱穩定性和環境穩定性，更為重要的是，該類鈣鈦礦的晶體結構可以有效的在低溫相和高溫相之間可逆的轉變，且其電學性能能夠得到恢復。

【成果簡介】

近日，美國加州大學伯克利分校楊培東院士（通訊作者），林佳，賴敏良，竇樂添（共同一作）等人在Nat. Mater.上發表了一篇題為“Thermochromic halide perovskite solar cells”的文章。本文介紹了一種基于無機鹵化物鈣鈦礦銫鉛碘溴結構相變的智能光伏窗戶。該光伏窗戶的太陽能轉換效率最高可達7%，并且具有低至105℃的相變溫度。該鈣鈦礦薄膜器件的著色態（對應高溫相）和褪色態（對應低溫相）的可見光透過率分別是35.4%和81.7%。此外，該器件還被證明具有良好的可重復性。

【圖文簡介】

圖1：無機鹵化物鈣鈦礦的相轉變

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(a). 鈣鈦礦高溫相與低溫相的可逆轉變；

(b). 高溫相(深色)和低溫相(透明)鈣鈦礦薄膜的照片；

(c-d). 高溫相和低溫相鈣鈦礦的粉末XRD譜；

(e). 高溫相和低溫相鈣鈦礦薄膜的吸收譜和PL譜；

(f).?在不同濕度條件下測量了鈣鈦礦薄膜的高溫相到低溫相相變的時間；

(g). 測試了鈣鈦礦薄膜100個循環的光吸收的可逆特性；

(h). 經歷了100個循環后，高溫相和低溫相鈣鈦礦薄膜的XRD譜。

圖2：水分引發無機鈣鈦礦相變的機理分析

(a). 可逆工作機制，將I^-離子從鈣鈦礦內轉移到吸附水薄層；

(b). 從分子動力學角度模擬勢壘頂層附近的元素分布（灰色和橙色的鉛鹵化物子晶格,綠色的是Cs⁺,水中的氫氧分別為白色和紅色）；

(c). 空位濃度與相對濕度的對應曲線；

(d). 從高溫相轉變到低溫相所需的自由能；

(e). 低溫相與高溫相界面的分子動力學模擬；

(f). 平均成核時間與氧空位濃度的函數關系。

圖3：相變鈣鈦礦太陽能電池的表征

(a). 器件結構示意圖；

(b). 器件的側面SEM圖；

(c). 鋁電極鈣鈦礦太陽能電池在低溫相與高溫相下的J-V曲線；

(d). 鋁電極鈣鈦礦太陽能電池在低溫相與高溫相下的EQE曲線；

(e). 低溫相到高溫相的相變溫度、電池性能與鈣鈦礦組分的關系；

(f). ITO電極半透明鈣鈦礦太陽能電池的照片；

(g).?半透明鈣鈦礦太陽能電池在高溫相與低溫相下的J-V曲線；

(h). 半透明鈣鈦礦太陽電池高溫相和低溫相在不同波長下的透過率，以及ITO的透過率。

圖4：相變過程中光伏特性的演化與可逆性

(a). 原位觀察鈣鈦礦太陽能電池效率在相變過程中隨著時間的變化曲線；

(b-e). 器件的短路電流(b)、開路電壓(c)、填充因子(d)和效率(e)在十個相轉變過程中的變化統計圖。

【小結】

研究者開發了一種熱致變色銫鉛碘溴鈣鈦礦太陽能電池作為智能光伏窗戶。通過溫度與濕度等條件控制，可以有效實現鈣鈦礦高溫相(低透過率)與低溫相(高透過率)的轉變，成功地制備出熱致變色智能窗戶，該器件具有高的熱穩定性和完全可逆的顏色和性能。該項技術是建筑物、汽車、信息顯示和潛在的其他技術集成的關鍵。

文獻鏈接：Thermochromic halide perovskite solar cells?(Nat. Mater. , 2018, DOI：10.1038/s41563-017-0006-0)

本文由材料人編輯部新能源學術組金也供稿，材料牛編輯整理。

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