中间态的发现可能带来更长寿命的太阳能电池

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威斯康星大学麦迪逊分校工程师找到了一种方法，可以大大延长太阳能收集设备的使用寿命，这些设备利用阳光产生的能量分解水中产生氢气。

威斯康星大学麦迪逊分校的材料工程师做出了一个惊人的研究，通过他们的研究可以大大提高现有太阳能收集设备的使用寿命。

这些发现使他们能够实现那些被称为光电化学电极的光伏电池关键部件的超长寿命，这种光化学电极可以利用太阳光将水分解成氢气和氧气。

在2018年7月24日发表于Nano Letters的一篇论文中，由威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程博士生于岩浩（音）及其指导老师王旭东（音）教授领导的团队描述了一种研究发现，可以将光化学电极的寿命延长至500小时，这超过了目前该器件80小时寿命的五倍。

通常情况下，这种电极由硅材料制成，其可以很好地分裂水分子，但是这种电极材料在腐蚀性条件下非常不稳定并且极易快速降解。为了保护这些电极，工程师们通常会对其表面进行薄涂层。这是一种只能短期延迟材料降解的策略，材料同样会在几个小时或者几天之内自行分解。

威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程王旭东（音）教授说：“电极性能差异很大，没有人真正知道原因，这是一个很大的研究问题。”

有趣的是，现如今他们的研究人员没有对涂层材料进行任何改变。相反，他们通过使用更薄的二氧化钛涂层来延长电极的寿命。

换句话说，少即是多

造成这一卓越性能的关键在于，团队发现了二氧化钛薄膜的原子结构，进而利用原子层沉积技术创造了这种结构。

以前，研究人员认为，二氧化钛薄膜中的原子采用两种构象中的一种，在称为“无定形态”下扰乱和无序，或者锁定成称为晶体形式的规则重复和可预测的排列。

最终研究人员确信给定薄膜中的所有原子都表现出相同的方式 —— 结晶态或无定形态，没有中间相生成。

然而，他们发现的是一个灰色区域：在最终涂层中存在着中间状态的小口袋 - 这些区域的原子结构既不是无定形态也不是结晶态。以前也从未观察到这些中间体的存在。

王旭东（音）教授说：“这是材料合成科学的最前沿，我们认为结晶并不像人们所认为的那样简单。”

观察这些中间体并非易事。王旭东（音）教授的同事Paul Voyles，他是一名显微专家，利用威斯康星大学麦迪逊分校的独特设施进行复杂的扫描透射电子显微镜观测，这使得他能够检测出那些微小的结构。

从那里开始，研究人员确定这些中间体会降低二氧化钛薄膜的使用寿命，导致在保护涂层中产生微小孔洞的电子电流尖峰。

消除这些中间体，应该就可以延长涂层的使用寿命。较薄的薄膜使中间体在薄膜内形成更加困难，因此通过将薄膜厚度减少四分之三（从10nm减小到2.5nm），研究人员创造的新涂层稳定性比传统涂层高五倍以上。

现在，他们发现了这些奇特的结构，研究人员希望更多地了解它们如何形成和影响非晶薄膜的特性。王旭东（音）教授认为，新的认知可以让我们找到消除它们的其他方法 - 这不仅可以提高性能，还可以在催化剂、太阳能电池以及其他能源相关系统中开辟新的研究机遇。

“这些中间体可能是一个被忽视的非常重要的东西，它们可能是控制电极特性的关键因素。” 王旭东（音）教授说。