科學(xué)家揭開鈣鈦礦太陽能電池“效率缺陷”之謎

:由劍橋大學(xué)、沖繩科技大學(xué)研究生院（OIST）的科學(xué)家共同領(lǐng)導(dǎo)的多機構(gòu)合作近日獲得突破性成果，他們發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致下一代太陽能電池和柔性LED潛在材料——鈣鈦礦中出現(xiàn)“效率缺陷”的根源。

在過去的十年中，鈣鈦礦這種具有特定晶體結(jié)構(gòu)的多種材料，已經(jīng)成為硅太陽能電池的有前途的替代品，因為它們制造起來更便宜、更環(huán)保，同時達到了可比的效率水平。

然而，鈣鈦礦材料制作的太陽能電池，往往會出現(xiàn)明顯的性能損失和不穩(wěn)定性。迄今為止，大多數(shù)研究都集中在消除這些損失的方法上，但是它們的實際物理原因仍然未知。

日前《自然》（Nature）雜志上發(fā)表的一篇論文中，來自劍橋大學(xué)化學(xué)工程與生物技術(shù)系和卡文迪許實驗室的Sam Stranks博士小組的研究人員以及日本OIST的Keshav Dani教授的飛秒光譜學(xué)部門的研究人員確定了問題的根源。他們的發(fā)現(xiàn)可以簡化提高鈣鈦礦應(yīng)用效率的努力，使它們更接近面向大眾市場的生產(chǎn)。

通常而言，當(dāng)光照射到鈣鈦礦太陽能電池上或電通過鈣鈦礦LED時，電子被激發(fā)并躍遷到更高的能量狀態(tài)。帶負電的電子留在被稱為空穴的空間后面，然后該空間具有相對正的電荷。激發(fā)的電子和空穴都可以移動穿過鈣鈦礦材料，因此充當(dāng)電荷載流子。

但是在鈣鈦礦中，會發(fā)生某種類型的缺陷，此時通電的載流子會被卡住。被俘獲的電子和空穴重新結(jié)合，將其能量損失變熱，而不是將其轉(zhuǎn)化為有用的電或光，這大大降低了太陽能電池板和LED的效率和穩(wěn)定性。

到目前為止，人們對這些“陷阱”的成因知之甚少，部分原因是它們的行為似乎與傳統(tǒng)太陽能電池材料中的缺陷截然不同。

2015年，Stranks博士的小組曾在《科學(xué)》上發(fā)表了一篇論文，研究了鈣鈦礦的發(fā)光，揭示了鈣鈦礦在吸收或發(fā)射光方面的表現(xiàn)。他們發(fā)現(xiàn)材料非常異質(zhì)。Stranks博士描述稱：“有很大的區(qū)域是明亮和發(fā)光的，而其他區(qū)域?qū)嶋H上是黑暗的。這些黑暗的區(qū)域與太陽能電池或LED的功率損耗相對應(yīng)。但是造成功率損耗的原因始終是個謎，特別是因為鈣鈦礦對缺陷的耐受性很高?！?/p>

由于標(biāo)準(zhǔn)成像技術(shù)的局限性，當(dāng)時研究團隊無法分辨出較暗的區(qū)域是由一個大的陷阱位點還是許多較小的陷阱引起的，因此很難確定為什么它們僅在某些區(qū)域形成。到了2017年晚些時候，OIST的Dani教授的團隊在《自然·納米技術(shù)》上發(fā)表了一篇論文，在那里他們拍攝了一組圖像，呈現(xiàn)了電子在吸收光后在半導(dǎo)體中的表現(xiàn)。Dani教授稱：“通過觀察光照射后電荷在材料或設(shè)備中的移動方式，我們可以發(fā)現(xiàn)很多東西。例如，您可以看到電荷在哪里被捕獲?！薄暗?，這些損耗很難以可視化的方式顯示，因為它們移動非常快——-在十億分之一秒的百萬分之一的時間尺度上；并且在非常短的距離上，大約是十億分之一米的長度尺度。

于是Stranks博士團隊和Dani教授團隊形成了合作，看他們是否可以共同解決鈣鈦礦中暗區(qū)的可視化問題。

OIST的團隊首次在鈣鈦礦上使用了一種稱為光發(fā)射電子顯微鏡（PEEM）的技術(shù)，他們用紫外線探測該材料，并從發(fā)射的電子中形成圖像。

當(dāng)他們查看材料時，他們發(fā)現(xiàn)黑暗區(qū)域包含“陷阱”，長度約10-100納米，是由較小原子尺寸的陷阱位點組成的簇。這些陷阱簇不均勻地分布在整個鈣鈦礦材料中，這解釋了Stranks博士早期研究中發(fā)現(xiàn)的不均勻發(fā)光現(xiàn)象。

有趣的是，當(dāng)研究人員將陷阱位置的圖像疊加到顯示鈣鈦礦材料晶粒的圖像上時，他們發(fā)現(xiàn)陷阱簇僅在特定位置形成，位于某些晶粒之間的邊界處。

為了理解為什么僅在某些晶界發(fā)生這種現(xiàn)象，研究小組與劍橋大學(xué)材料科學(xué)與冶金學(xué)系的Paul Midgley教授的團隊合作，后者使用一種稱為掃描電子衍射（scanning electron diffraction）的技術(shù)來創(chuàng)建鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的詳細圖像。Midgley教授的團隊利用了鉆石光源同步加速器的ePSIC設(shè)施中的電子顯微鏡設(shè)置，該設(shè)施具有用于對射線敏感材料（例如鈣鈦礦）成像的專用設(shè)備。

“由于這些材料對光束非常敏感，因此您可以使用典型的技術(shù)在這些長度尺度上探測局部晶體結(jié)構(gòu)，從而在查看時迅速改變材料，” Stranks博士的Tiarnan Doherty解釋說。研究小組和共同主要作者?！跋喾?，我們能夠使用非常低的暴露劑量，因此可以防止傷害。”

“通過OIST的工作，我們知道了陷阱簇的位置，在ePSIC上，我們在同一區(qū)域周圍進行了掃描以查看局部結(jié)構(gòu)。我們能夠快速查明陷阱位置周圍晶體結(jié)構(gòu)的意外變化?！?/p>

該小組發(fā)現(xiàn)，陷阱簇僅在結(jié)點處形成，結(jié)點處材料的結(jié)構(gòu)略有變形，而結(jié)點處的區(qū)域則為原始結(jié)構(gòu)。

斯特蘭克斯博士說：“鈣鈦礦中，我們有這些規(guī)則的鑲嵌材料，大多數(shù)的晶粒又優(yōu)質(zhì)又原始，這是我們期望的結(jié)構(gòu)?！?“但是每隔一段時間，您會得到一個略微扭曲的顆粒，并且該顆粒的化學(xué)性質(zhì)是不均勻的。真正有趣的是，最初使我們感到困惑的是，不是扭曲的顆粒才是陷阱，而是當(dāng)那個顆粒遇到一個原始顆粒；陷阱就在那個結(jié)點形成?！?/p>

基于對這種“陷阱”性質(zhì)的了解，OIST的團隊還使用了定制的PEEM儀器來可視化鈣鈦礦材料中發(fā)生的電荷載流子陷阱過程的動力學(xué)。PEEM裝置的獨特功能之一是，它可以對超快的過程進行成像——短至飛秒，隨后，研究人員發(fā)現(xiàn)俘獲過程主要由擴散到陷阱簇的電荷載流子控制。

這些發(fā)現(xiàn)代表了將鈣鈦礦帶入太陽能市場的重大突破?！拔覀?nèi)匀徊恢罏槭裁聪葳鍟奂谀莾?，但是現(xiàn)在我們知道它們確實是在那兒形成的，而且只有在那兒?！?“這令人興奮，因為這意味著我們現(xiàn)在知道要針對什么來提高鈣鈦礦的性能。我們需要針對那些不均勻的相或以某種方式擺脫這些結(jié)合?！?/p>

團隊的研究集中在一種特定的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)上?，F(xiàn)在，科學(xué)家將調(diào)查這些陷阱簇的原因是否在所有鈣鈦礦材料中都普遍存在。

原標(biāo)題:提高效能是關(guān)鍵！科學(xué)家利用PEEM技術(shù)揭開太陽能電池材料“缺陷”之謎