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壽命提升至3670小時！拉曼技術(shù)助鈣鈦礦電池成功改造 | 技術(shù)頭條
鈣鈦礦電池堪稱“理想光伏材料”，其效率比傳統(tǒng)晶硅電池高，在陰雨天仍可高效發(fā)電，還能制成柔性薄膜，應(yīng)用于建筑、車載及可穿戴設(shè)備等場景，成本卻僅為晶硅的 1/20。然而，“不耐用”這一短板，讓它始終難以走出實驗室，無法大規(guī)模投入實際應(yīng)用。來自華東理工大學(xué)的研究團隊成功破解了鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性難題，而拉曼光譜技術(shù)，正是這場突破背后的關(guān)鍵。
鈣鈦礦電池?fù)碛袕V闊的應(yīng)用潛力
鈣鈦礦薄膜在電場、溫度和光照等影響下，會發(fā)生晶格形變與結(jié)構(gòu)演變，制約了鈣鈦礦太陽能電池的工作壽命。華東理工大學(xué)侯宇團隊對此展開研究，首次提出：鈣鈦礦內(nèi)部存在的動態(tài)局域應(yīng)力是導(dǎo)致晶界出現(xiàn)缺陷的關(guān)鍵。為解決這一問題，團隊利用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，將單層石墨烯與鈣鈦礦薄膜結(jié)合，形成機械增強界面。檢測結(jié)果表明，這種新型界面不僅將形變率從 0.31% 降至 0.08%，還有效阻止了橫向離子擴散。 經(jīng)過改造，該器件在 90℃ 高溫的條件下，T97* 壽命提升到了 3670 小時，這一成績刷新了鈣鈦礦電池穩(wěn)定性的紀(jì)錄。
*T97 壽命是指鈣鈦礦太陽能電池在特定條件下(如標(biāo)準(zhǔn)太陽光照及高溫環(huán)境)，其光電轉(zhuǎn)換效率衰減至初始效率的 97% 以上時所能持續(xù)運行的時間。
研究過程中，拉曼光譜技術(shù)發(fā)揮了不可或缺的作用。
在判斷材料質(zhì)量方面，研究人員通過拉曼特征 G 峰(1585 cm?¹)觀察材料結(jié)構(gòu)，確認(rèn)所使用的石墨烯是高質(zhì)量的單層結(jié)構(gòu)。隨后，團隊用拉曼面掃描(mapping)技術(shù)進一步證實了該石墨烯在鈣鈦礦表面分布得非常均勻。
左圖為(I)鈣鈦礦薄膜、(II)鈣鈦礦/石墨烯復(fù)合薄膜、(III)鈣鈦礦/ PMMA /石墨烯復(fù)合薄膜的拉曼光譜圖；右圖為單層石墨烯與耦合到鈣鈦礦薄膜表面單層石墨烯的 G 峰拉曼面掃描圖譜
在觀測晶格變化方面，研究人員借助波數(shù)低于 60 cm?¹ 的低波數(shù)原位拉曼光譜，發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦在光照后，其拉曼峰出現(xiàn)了展寬與分裂現(xiàn)象。結(jié)合 XRD(X 射線衍射)檢測結(jié)果分析可知，這一現(xiàn)象是由拉伸應(yīng)變與晶格膨脹共同作用引發(fā)的。此外，拉曼信號變化還表明，帶有 PMMA/石墨烯保護的鈣鈦礦薄膜在整個光輻照過程中基本維持穩(wěn)定狀態(tài)，進一步證明了該界面能夠有效抑制晶格形變。
左圖組為采用不同緩沖層的半器件在白光 LED 照射下的原位拉曼光譜；右圖為改造前后的材料在光照條件下的拉曼光譜變化
鈣鈦礦電池穩(wěn)定性的突破，意味著其能夠真正走向?qū)嶋H應(yīng)用。預(yù)計到 2025 年，國內(nèi)鈣鈦礦產(chǎn)能將達 7.4 GW，未來甚至有可能替代部分晶硅電池，重塑光伏產(chǎn)業(yè)格局。拉曼光譜技術(shù)憑借其“火眼金睛”，更是確保了這場光伏革命的每一個成果都扎實可信。
(華東理工大學(xué)團隊的研究成果已發(fā)表在《Science》。本文部分內(nèi)容參考公眾號：EV WallBox)
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XploRA PLUS 之所以能成為鈣鈦礦電池的研究利器，與其核心優(yōu)勢密不可分：
• 高靈敏、高分辨：內(nèi)置四塊光柵，具備高靈敏及亞微米級高分辨率，精準(zhǔn)捕捉鈣鈦礦光照下晶格微觀變化及表面微觀結(jié)構(gòu)，滿足對材料微觀特性深度剖析的需求；
• 全自動切換波長：支持不同實驗條件間自動切換(如激光、光柵等)，為研究鈣鈦礦不同激發(fā)條件下的光譜特性提供靈活選擇，契合多場景檢測需求；
• 超快速拉曼/PL 成像：可實時監(jiān)測材料動態(tài)變化并全面獲取其物理化學(xué)性質(zhì)信息，滿足對鈣鈦礦材料動態(tài)特性及全面性質(zhì)研究的需要。
• *的拓展功能：可實現(xiàn)拉曼偏振、顆粒分析及拉曼-AFM 聯(lián)用，多維度解析鈣鈦礦薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分與力學(xué)性能，揭示異質(zhì)結(jié)界面特性、缺陷分布及光致相變機制，為高效光伏器件優(yōu)化提供關(guān)鍵依據(jù)。
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