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利用激光蒸发技术制造新的太阳能材料!

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利用激光蒸发技术制造新的太阳能材料!

时间:2017-12-29 16:27来源:作者:

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图中所示的RIR-MAPLE技术可以制造新的太阳能电池晶格结构。桌子中央的白色圆圈是一块包含了太阳能电池材料的分子结构块冷冻溶液,因为受到激光轰击,溶液发生蒸发,蒸发的材料包裹在上面的靶材上面。图片由E. Tomas Barraza提供

 

杜克大学的材料科学家们已经开发出一种方法来制造混合薄膜材料,这种材料一般情况下很难甚至不可能制造出来。这项技术可以成为新一代太阳能电池、发光二极管和光电探测器的突破口。

 

钙钛矿的晶体结构是内部元素的恰当组合,使得钙钛矿特别适合于基于光的应用。例如,它们吸收光线并有效传输能量的能力使得将它开发成为新型太阳能电池变成研究人员的共同目标。

 

甲基碘化铅(MAPbI3)是目前太阳能中常用的钙钛矿,它就像今天好的商业太阳能电池板一样可以将光转化为能量。它可以用比一个典型的硅基太阳能电池薄100倍的材料制成。

 

甲基碘化铅是为数不多的可以利用标准工业生产技术制造出来的材料,但仍然在可扩展性和耐用性方面存在问题。然而,为了真正解开钙钛矿的潜力,需要新的制造方法,因为难以制造复杂晶体结构中的有机和无机分子的混合物。有机元素特别精细,但对混合材料的吸收和发光能力至关重要。

 

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仔细看看包含目标冷冻溶液,它包含了太阳能电池的结构材料。图片由Tomas Barraza提供

 

杜克大学机械工程和材料科学西蒙家族教授戴维米茨说:“甲基碘化铅是一种有机成分简单,但它是性能非常高的光吸收剂,如果我们能找到一种新的制造方法来制造更复杂的分子组合,它将为多功能材料开辟新的化学领域。”

 

在这项新研究中,Mitzi与杜克大学电气和计算机工程副教授Adrienne Stiff-Roberts合作展示了这样一种制造方法。这一技术是杜克大学在过去10年中研发的,被称为共振红外矩阵辅助脉冲激光蒸发技术,简称RIR-MAPLE。

 

这项技术在1999年被发明,被称作MAPLE,这项技术包括冻结一个含有分子结构块的溶液,然后用激光在真空室中将冻结的溶液蒸发。

 

当一束激光将类似于高尔夫球上面的凹坑大小的冷冻结构块蒸发时,蒸汽就会向上流动,并包裹在任何物体的上面,例如太阳能电池的一部分。一旦积累足够的材料,这个过程就会被停止,产品被加热以使分子结晶,并将薄膜固定在适当的位置。

 

在Stiff-Roberts的这种技术中,激光的频率被特别地调谐到冷冻溶剂的分子键上。这就使得溶剂吸收了大部分的能量,使得这些精致的有机物在到达产品表面时毫发无损。

 

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在薄膜沉积过程结束后,在rir -枫木室内部观察。初的冷冻溶液没有一个留在中心,因为它已经被蒸发,覆盖在上面的目标的底部。图片由Tomas Barraza提供

 

Stiff-Roberts说:“RIR-MAPLE技术在对有机材料的冲击上比其他激光技术要温和的多,同样也提高了效率,只需要一小部分有机材料就能达到同样的成品。”

 

尽管目前还没有在市场上使用的基于钙钛矿材料的太阳能电池,但仍有一些公司致力于将甲基化碘化铅和其他相关的材料商业化。虽然这项研究的材料比其他基于激光的技术更能提高太阳能电池的效率,但是它们还没有达到那些使用传统的基于解决方案的工艺制造的材料。

 

但Mitzi和罗伯茨说,这不是他们的后目标。Stiff-Roberts说:“虽然基于溶液的技术也可以对有机物很温和,并且可以制造一些很好的混合光伏材料,但它们不能用于更复杂和不太容易溶解的有机分子。”Mitzi继续说:“通过这RIR-MAPLE技术的演示,我们希望能向太阳能电池行业开放一个全新的材料世界。我们还认为,这些材料可能对其他应用有帮助,比如发光二极管、光探测器和x射线探测器。”

 

原文来自phys,原文题目为laser evaporation technology solar materials,由材料科技在线汇总整理。


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