高性能的新型太阳能电池之谜被揭开 其清晰度令人震惊

剑桥大学的研究人员使用了一套相关的多模态显微镜方法,第一次直观地看到了为什么钙钛矿材料似乎对其结构中的缺陷如此“容忍”。他们的发现于11月22日发表在《自然-纳米技术》上。

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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,需要一个耗能和耗时的生产过程来创造所需的高度有序的结构。在过去的十年中,钙钛矿材料作为有前途的替代品出现了。

用于制造它们的铅盐比晶体硅丰富得多,生产成本也低得多,而且它们可以在液体墨水中制备,只需打印就可以生产出材料的薄膜。它们还显示出其他光电应用的巨大潜力,如高能效的发光二极管(LED)和X射线探测器。

钙钛矿的令人印象深刻的性能是令人惊讶的。一个优秀的半导体的典型模型是一个非常有序的结构,但不同的化学元素在包晶石中的组合阵列创造了一个更加“混乱”的景观。

这种异质性造成了材料中的缺陷,导致了纳米级的"陷阱",从而降低了设备的光电性能。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,该小组的早期研究表明,无序结构实际上可以提高钙钛矿光电子学的性能,他们的最新工作试图解释原因。 结合一系列新的显微镜技术,该小组展示了这些材料的纳米级化学、结构和光电景观的完整画面,揭示了这些竞争因素之间复杂的相互作用,并最终显示出哪种因素处于领先地位。

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“我们看到的是,我们有两种形式的无序在平行发生,”博士生Kyle Frohna解释说,“与降低性能的缺陷有关的电子无序,然后是似乎能改善性能的空间化学无序。”

“我们发现,化学无序--在这种情况下的'好'无序--通过将电荷载流子从这些陷阱中漏出,减轻了缺陷带来的'坏'无序,否则它们可能会被卷入。”

通过与剑桥大学卡文迪许实验室、位于迪德科特的钻石光源同步辐射设施和日本冲绳科学技术研究所合作,研究人员使用了几种不同的显微镜技术来观察过氧化物薄膜中的相同区域。然后,他们可以比较所有这些方法的结果,以展示这些有前途的新材料在纳米级发生了什么的全貌。

“我们的想法是做一个叫做多模态显微镜的东西,这是一种非常花哨的说法,即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从另一个显微镜中提取的特性联系起来,”Frohna说。“这些实验是耗时和资源密集型的,但就你能得到的信息而言,你得到的回报是非常好的。”

这些发现将使该小组和该领域的其他人能够进一步完善钙钛矿太阳能电池的制造方式,以实现效率最大化。

“长期以来,人们一直在抛出缺陷容忍这个词,但这是第一次有人正确地将其可视化,以掌握这些材料中缺陷容忍的实际含义。”

"知道这两种相互竞争的无序是相互作用的,我们可以考虑如何有效地调节其中一种,以最有利的方式减轻另一种的影响。"

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"就实验方法的新颖性而言,我们遵循了相关的多模式显微镜策略,但不仅如此,每一种独立的技术本身都是最前沿的,"剑桥大学化学工程和生物技术系的皇家工程院研究员米格尔-安纳亚说道。

“我们已经可视化并给出了为什么我们可以称这些材料为缺陷容忍性的理由。这种方法使得在纳米尺度上优化它们的新途径成为可能,最终为目标应用提供更好的性能。现在,我们可以看看其他类型的钙钛矿它们不仅适合于太阳能电池,也适合于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这套采集工具可以扩展到研究任何其他光电材料,这可能是更广泛的材料科学界非常感兴趣的事情。”

剑桥大学化学工程和生物技术系能源专业助理教授Sam Stranks说:“通过这些可视化,我们现在更好地了解这些迷人的半导体中的纳米级景观--好的、坏的和丑的。”

“这些结果解释了该领域对这些材料的经验性优化是如何推动这些混合成分的钙钛矿达到如此高的性能。但它也揭示了可能具有类似属性的新半导体的设计蓝图--在那里,无序可以被利用来定制性能。”

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