剑桥大学
电子流入钙钛矿材料高质量区域的艺术表现
信用:亚历克斯
在埃拉·马鲁工作室 来自剑桥大学的研究人员已经使用了一套相关的多模态显微镜方法来首次可视化为什么钙钛矿材料看起来对其结构中的缺陷如此宽容
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，但是要实现有效的能量转换，需要能量密集且耗时的生产过程来产生所需的高度有序的晶片结构
在过去的十年里，钙钛矿材料已经成为有希望的替代品
用来制造它们的铅盐比晶体硅丰富得多，生产成本也低得多，它们可以在液体墨水中制备，只需简单地印刷就可以生产出这种材料的薄膜
它们在其他光电子应用方面也显示出巨大的潜力，例如节能发光二极管和x光探测器
钙钛矿令人印象深刻的表现令人惊讶
优秀半导体的典型模型是非常有序的结构，但钙钛矿中不同化学元素的组合构成了一个更加“混乱”的场景
这种不均匀性导致材料中的缺陷，从而导致纳米级的“陷阱”，这降低了器件的光伏性能
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子的性能，他们的最新工作试图解释为什么
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图像，揭示了这些竞争因素之间的复杂相互作用，并最终展示了哪一个处于领先地位
“我们看到的是，我们有两种形式的无序并行发生，”博士解释说
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学生凯尔·弗罗纳:“与降低成绩的缺陷相关的电子障碍，以及似乎能改善成绩的空间化学障碍
“我们发现，化学无序——在这种情况下是‘好’无序——通过将大载流子从它们可能陷入的陷阱中引导出来，减轻了缺陷带来的‘坏’无序
" 在剑桥的卡文迪什实验室、迪科特的钻石光源同步加速器设施和日本冲绳科学技术研究所的合作下，研究人员使用了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，展示这些有前途的新材料在纳米尺度上发生的事情的全貌
“我们的想法是做一种叫做多模态显微镜的东西，这是一种非常奇特的说法，我们用多种不同的显微镜观察样本的同一区域，基本上试图将我们从一种显微镜中提取的特性与我们从另一种显微镜中提取的特性联系起来，”弗罗纳说
“这些实验既耗时又耗费资源，但从你能提取的信息来看，你得到的回报是极好的
" 该发现将使该小组和该领域的其他人进一步完善钙钛矿太阳能电池的制造方法，以最大限度地提高效率
“很长一段时间以来，人们一直将缺陷容限这个术语抛来抛去，但这是第一次有人将它恰当地形象化，从而理解在这些材料中缺陷容限的实际含义
“了解到这两种相互竞争的疾病正在相互影响，我们可以思考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
" 剑桥皇家工程学院化学工程和生物技术系研究员米格尔·安纳亚说:“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，每种独立的技术本身都是前沿的。” “我们已经设想并给出了为什么我们可以称这些材料为缺陷容忍材料的原因
这种方法使新的路线能够在纳米尺度上对它们进行优化，最终更好地用于目标应用
现在，我们可以看看其他类型的钙钛矿，它们不仅对太阳能电池有好处，对发光二极管或探测器也有好处，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采集工具集可以扩展到研究任何其他光电子材料，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助理教授萨姆·斯特兰克说:“通过这些可视化，我们现在可以更好地理解这些迷人的半导体中的纳米尺度景观——好的、坏的和丑陋的。”
“这些结果解释了如何通过实地对这些材料进行经验优化，将这些混合成分钙钛矿驱动到如此高的性能
但它也揭示了可能具有类似属性的新型半导体的设计蓝图——无序可以被用来定制性能
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