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以惊人的清晰度揭开高性能新型太阳能电池材料的神秘面纱

导读剑桥大学的研究人员首次使用了一套相关的多模态显微镜方法来可视化为什么钙钛矿材料似乎如此容忍其结构中的缺陷。他们的发现今天发表在《自...

剑桥大学的研究人员首次使用了一套相关的多模态显微镜方法来可视化为什么钙钛矿材料似乎如此容忍其结构中的缺陷。他们的发现今天发表在《自然纳米技术》上。

生产太阳能电池板最常用的材料是晶体硅,但要实现高效的能量转换,需要能源密集型和耗时的生产过程来创建所需的高度有序的晶片结构。

在过去十年中,钙钛矿材料已成为有前途的替代品。

用于制造它们的铅盐比晶体硅更丰富且生产成本更低,并且它们可以用液体墨水制备,只需印刷即可生成材料薄膜。它们还显示出在其他光电应用方面的巨大潜力,例如节能发光二极管(LED)和X射线探测器。

钙钛矿令人印象深刻的性能令人惊讶。优秀半导体的典型模型是非常有序的结构,但钙钛矿中组合的不同化学元素阵列创造了一个更加“混乱”的景观。

这种异质性会导致材料中的缺陷,从而导致纳米级“陷阱”,从而降低设备的光伏性能。但是,尽管存在这些缺陷,钙钛矿材料仍然显示出与其硅替代品相当的效率水平。

事实上,该小组早期的研究表明,无序结构实际上可以提高钙钛矿光电的性能,他们的最新工作试图解释原因。

该小组结合了一系列新的显微镜技术,展示了这些材料的纳米级化学、结构和光电景观的完整图片,揭示了这些竞争因素之间复杂的相互作用,并最终展示了哪些是最重要的。

“我们看到的是,我们有两种形式的无序同时发生,”博士解释说。学生KyleFrohna,“与降低表现的缺陷相关的电子障碍,然后是似乎改善表现的空间化学障碍。

“而且我们发现,化学无序——在这种情况下是‘好’无序——通过将电荷载流子从这些陷阱中汇集起来,否则它们可能会陷入困境,从而减轻缺陷中的‘坏’无序。”

研究人员与剑桥的卡文迪许实验室、位于迪德科特的钻石光源同步加速器设施和冲绳科学技术研究所合作,使用几种不同的显微技术来观察钙钛矿薄膜中的相同区域。然后,他们可以比较所有这些方法的结果,以全面了解这些有前途的新材料在纳米级发生的情况。

“我们的想法是我们做一些叫做多模态显微镜的事情,这是一种非常奇特的说法,我们用多个不同的显微镜观察样品的同一区域,并基本上尝试将我们从一个显微镜中提取的特性与我们提取的特性相关联来自另一个,”弗罗纳说。“这些实验既耗时又占用大量资源,但就可以提取的信息而言,您获得的回报非常好。”

这些发现将使该小组和该领域的其他人能够进一步改进钙钛矿太阳能电池的制造方式,以最大限度地提高效率。

“很长一段时间以来,人们一直在使用缺陷容限这个术语,但这是第一次有人正确地将其可视化以了解这些材料中缺陷容限的实际含义。

“知道这两种相互竞争的疾病正在相互竞争,我们可以考虑如何有效地调节一种疾病以最有益的方式减轻另一种疾病的影响。”

“就实验方法的新颖性而言,我们遵循了相关的多模态显微镜策略,但不仅如此,每项独立技术本身都是最前沿的,”剑桥化学系皇家工程研究院研究员MiguelAnaya说。工程与生物技术

“我们已经显现,并给出理由,我们可以把这些材料缺陷宽容。这种方法使新航线在纳米尺度来对其进行优化,最终,进行了有针对性的应用程序更好。现在,我们可以看看这是其他类型的钙钛矿不仅适用于太阳能电池,也适用于LED或探测器,并了解它们的工作原理。

“更重要的是,我们在这项工作中开发的一套采集工具可以扩展到研究任何其他光电材料,这可能对更广泛的材料科学界产生极大的兴趣。”

“通过这些可视化,我们现在可以更好地了解这些迷人半导体中的纳米级景观——好的、坏的和丑陋的,”剑桥大学化学工程和生物技术系能源学助理教授SamStranks说。

“这些结果解释了该领域对这些材料的经验优化如何将这些混合成分钙钛矿驱动到如此高的性能。但它也揭示了设计可能具有相似属性的新半导体的蓝图——其中可以利用无序来定制性能.”

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