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

在綠色能源的發(fā)展得到世界各國越來越多的重視與青睞的今天，光伏科技和太陽能電池的產(chǎn)業(yè)成長與技術(shù)研發(fā)成為了工業(yè)界和學術(shù)界共同的焦點。而這其中最被廣泛關(guān)注的當屬使用具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料所合成的太陽能電池。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)是具有通式ABX₃結(jié)構(gòu)的一類化合物，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)稱為有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池（PVSCs）。在光伏領(lǐng)域的研究中，鈣鈦礦太陽能電池因其能量轉(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到25%的能量轉(zhuǎn)化率。

然而，在我們期待上述的有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池從實驗室走向工業(yè)應(yīng)用的時候，一個無法回避的問題出現(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，且這種影響多為負面影響。也就是說，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。

針對上述問題，香港城市大學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能電池的性能，尤其通過減小材料生成過程中所產(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。

在通過標準流程測得生成的太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率可以達到23%之后，接下來研究者的關(guān)注點則聚焦到了GNR@SiO₂對電池穩(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)的近場光學顯微鏡起到了至關(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（光學成像）和與之對應(yīng)的納米傅里葉紅外光譜結(jié)果。實驗使用了一臺相干寬波長中紅外激光器，通過Neaspec近場光學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)過疲勞測試的PVK（d）經(jīng)過疲勞測試的GNR@SiO₂的PVK。

在PVK所對應(yīng)的中紅外成像和納米傅里葉紅外光譜中，信號的產(chǎn)生主要源自材料里的甲脒結(jié)構(gòu)中的非對稱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（對應(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。而為了研究疲勞測試對材料穩(wěn)定性的影響，研究者在每個結(jié)果中都選取了5個數(shù)據(jù)點，直接進行納米傅里葉紅外光譜的測試 （下圖 e-h）。研究者通過對比發(fā)現(xiàn)，在沒有摻雜GNR@SiO₂的PVK中，疲勞測試使得材料的甲脒含量降到了原來的45%。而通過摻雜GNR@SiO₂，PVK中的則能維持在原來的75%?？梢姡瑩诫sGNR@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的近場光學顯微鏡可以同時對樣品進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：

[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