莱斯大学化学工程研究生Siraj Sidhik拿着一个装有2D钙钛矿“种子”的容器(左)和一个较小的小瓶，其中装有溶解种子的溶液，可用于生产薄膜，用于高效光电器件，如高效太阳能电池板。功劳:杰夫·菲特洛/莱斯大学莱斯大学的工程师们创造出了能够生长出非常均匀的2D钙钛矿晶体的微观种子，这种晶体既稳定又能高效地从阳光中获取电能。卤化物钙钛矿是由大量廉价成分制成的有机材料，莱斯的种子生长方法解决了阻碍卤化物钙钛矿光伏技术的性能和生产问题。
在《先进材料》在线发表的一项研究中，莱斯布朗工程学院的化学工程师描述了如何制造种子，并利用它们生长同质薄膜，这是一种高度寻求的由均匀厚的层组成的材料。在实验室测试中，由薄膜制成的光伏器件被证明既高效又可靠，这是以前由3D或2D钙钛矿制成的器件存在问题的组合。
该研究的合著者、莱斯大学化学和生物分子工程、材料科学和纳米工程副教授阿迪蒂亚·莫希特(Aditya Mohite)说:“我们已经提出了一种方法，通过首先定制你放入溶液中的东西，你可以真正定制宏观薄膜的特性。“你可以得到尺寸和性质非常均匀的东西，从而提高效率。在2D的情况下，我们获得了17%的设备效率，这几乎是最先进的，而且没有优化。我们认为我们可以在几个方面进行改进。”
莫希特说，在卤化物钙钛矿光伏研究领域，实现2D钙钛矿同质薄膜一直是一个巨大的挑战，该领域在过去十年中取得了巨大的发展。
他说:“同质薄膜有望带来兼具高效率和技术相关稳定性的光电器件。
事实证明，水稻种子生长的高效光伏薄膜相当稳定，在没有任何热管理的情况下，光照800小时后，其峰值效率保持在97%以上。在以前的研究中，3D卤化物钙钛矿光伏器件非常高效，但容易快速退化，2D器件缺乏效率，但非常稳定。
这项研究的合著者、威廉·马什水稻受托人主席、莱斯大学化学和生物分子工程助理教授阿曼达·马尔西尔说，莱斯的研究还详细描述了种子的生长过程——这种方法是许多实验室都可以实现的。
厚度均匀的2D卤化物钙钛矿晶体薄膜。赖斯的工程师们发现了一种自组装方法，用“种子”制作薄膜，种子是2D晶体的亚显微碎片，用作模板。信用:杰夫·菲特洛/莱斯大学“我想人们会拿起这张纸说:“哦。“我要开始这样做了，”马西尔说这是一个非常好的加工纸，以一种前所未有的方式深入研究。"
钙钛矿这个名字既指1839年在俄罗斯发现的一种特定矿物，也指具有这种矿物晶体结构的任何化合物。例如，卤化物钙钛矿可以通过将铅、锡和其他金属与溴化物或碘化物盐混合来制造。在2012年展示了高效光伏发电的潜力后，对卤化物钙钛矿的研究兴趣激增。
莫希特于2018年加入莱斯，他研究卤化物钙钛矿光伏电池已经超过五年，尤其是2D钙钛矿——这种扁平、几乎原子级薄的材料由于其固有的防潮性，比它们更厚的同类材料更稳定。
莫希特将追求种子生长的想法归功于该研究的合著者、他实验室的博士生西拉伊·西希克。
“记忆或历史——一种基因种子——可以决定材料特性的想法在材料科学中是一个强有力的概念，”莫希特说。“很多模板都是这样工作的。例如，如果你想生长金刚石或硅的单晶，你需要一种可以作为模板的单晶种子。”
虽然种子生长经常被证明是无机晶体和其他过程，莫希特说，这是第一次在有机2D钙钛矿显示。
从种子生长2D钙钛矿薄膜的过程在几个方面与生长这种薄膜的经典过程相同。在传统的方法中，前体化学物质像厨房里的配料一样被测量出来——X份的配料A，Y份的配料B，等等——这些被溶解在液体溶剂中。所得溶液通过旋涂法散布到平面上，旋涂法是一种广泛使用的技术，它依靠离心力将液体均匀地散布在快速旋转的圆盘上。当溶剂溶解时，混合的成分结晶成薄膜。
莫希特的团队多年来一直以这种方式制作2D钙钛矿薄膜，尽管肉眼看上去薄膜非常平坦，但在纳米尺度上却是不均匀的。在某些地方，薄膜的厚度可能是单晶，而在其他地方，厚度可能是几个晶体。
用莱斯大学的种子生长法生长的2D卤化物钙钛矿晶体薄膜。这种溶液处理方法产生了厚度非常均匀的薄膜，这是一种备受追捧的特性，有望产生高效的太阳能电池板和其他光电器件。功劳:杰夫·菲特洛/莱斯大学“你最终得到的是完全多分散的东西，当大小改变时，能量景观也会改变，”莫希特说。“这对光伏器件来说意味着效率低下，因为当电荷在到达电触点之前遇到势垒时，你会因散射而失去能量。”
在种子生长方法中，种子是通过缓慢生长均匀的2D晶体并将其研磨成粉末制成的，该粉末溶解在溶剂中而不是单独的前体中。种子含有与经典配方相同的成分比例，所得溶液被旋转涂在圆盘上，就像最初的方法一样。蒸发和结晶步骤也是相同的。但是种子溶液产生的薄膜具有均匀一致的表面，很像研磨种子的材料。
当西希克最初成功采用这种方法时，还不清楚为什么它能拍出更好的电影。幸运的是，莫希特的实验室毗邻马西尔的实验室，虽然她和她的学生、合著者穆罕默德·萨马尼以前没有与钙钛矿合作过，但他们确实有完美的工具来寻找和研究任何可能成为同质薄膜模板的未溶解种子。
“我们可以使用我们小组中的光散射技术来跟踪成核和生长，我们通常使用这种技术来测量溶液中聚合物的尺寸，”Marciel说。“合作就是这样开始的。我们是实验室里的邻居，我们在谈论这个，我说，“嘿，我有这个设备。让我们看看这些种子有多大，以及我们是否可以使用我们在聚合物科学中使用的相同工具，随着时间的推移跟踪它们。"
该工具是动态光散射，这是马西尔团队的主要技术。它揭示了溶液在一定条件下达到平衡状态，允许一部分种子在溶液中保持不溶解。
研究表明，这些种子碎片保留了研磨它们的完全均匀的缓慢生长晶体的“记忆”，萨马尼和马尔西尔发现，他们可以跟踪成核过程，最终使种子产生均匀的薄膜。
莫希特说，这项合作产生了一些在纳米材料研究中经常尝试但很少实现的东西——一种自组装方法，用于制造宏观材料，不辜负组成它们的单个纳米颗粒的承诺。
“这真的是纳米材料技术的克星，”莫希特说。“在单个元素层面上，你拥有比其他任何东西都好几个数量级的奇妙属性，但当你试图把它们组合成一些宏观且有用的东西时，比如一部电影，这些属性就有点消失了，因为你无法制造出同质的东西，只有你想要的那些属性。
“我们还没有在其他系统上做实验，但是perovskites的成功回避了这种类型的种子方法是否也可以在其他系统中工作的问题，”他说。
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