提高效能是关键！科学家使用PEEM技术揭开太阳能电池质料“缺陷”之谜

由剑桥大学、冲绳科技大学研究生院（OIST）的科学家配合向导的多机构互助克日获得突破性结果，他们发现了导致下一代太阳能电池和柔性LED潜在质料——钙钛矿中泛起“效率缺陷”的泉源。

在已往的十年中，钙钛矿这种具有特定晶体结构的多种质料，已经成为硅太阳能电池的有前途的替代品，因为它们制造起来更自制、更环保，同时到达了可比的效率水平。

然而，钙钛矿质料制作的太阳能电池，往往会泛起显着的性能损失和不稳定性。迄今为止，大多数研究都集中在消除这些损失的方法上，可是它们的实际物理原因仍然未知。

日前《自然》（Nature）杂志上揭晓的一篇论文中，来自剑桥大学化学工程与生物技术系和卡文迪许实验室的Sam Stranks博士小组的研究人员以及日本OIST的Keshav Dani教授的飞秒光谱学部门的研究人员确定了问题的泉源。他们的发现可以简化提高钙钛矿应用效率的努力，使它们更靠近面向公共市场的生产。

通常而言，当光照射到钙钛矿太阳能电池上或电通过钙钛矿LED时，电子被引发并跃迁到更高的能量状态。带负电的电子留在被称为空穴的空间后面，然后该空间具有相对正的电荷。引发的电子和空穴都可以移动穿过钙钛矿质料，因此充当电荷载流子。

可是在钙钛矿中，会发生某种类型的缺陷，此时通电的载流子会被卡住。被俘获的电子和空穴重新联合，将其能量损失变热，而不是将其转化为有用的电或光，这大大降低了太阳能电池板和LED的效率和稳定性。

到现在为止，人们对这些“陷阱”的成因知之甚少，部门原因是它们的行为似乎与传统太阳能电池质料中的缺陷截然差别。

2015年，Stranks博士的小组曾在《科学》上揭晓了一篇论文，研究了钙钛矿的发光，展现了钙钛矿在吸收或发射光方面的体现。他们发现质料很是异质。Stranks博士形貌称：“有很大的区域是明亮和发光的，而其他区域实际上是黑暗的。这些黑暗的区域与太阳能电池或LED的功率损耗相对应。可是造乐成率损耗的原因始终是个谜，特别是因为钙钛矿对缺陷的耐受性很高。”

由于尺度成像技术的局限性，其时研究团队无法分辨出较暗的区域是由一个大的陷阱位点还是许多较小的陷阱引起的，因此很难确定为什么它们仅在某些区域形成。到了2017年晚些时候，OIST的Dani教授的团队在《自然·纳米技术》上揭晓了一篇论文，在那里他们拍摄了一组图像，出现了电子在吸收光后在半导体中的体现。Dani教授称：“通过视察光照射后电荷在质料或设备中的移动方式，我们可以发现许多工具。例如，您可以看到电荷在那里被捕捉。”“可是，这些损耗很难以可视化的方式显示，因为它们移动很是快——-在十亿分之一秒的百万分之一的时间尺度上；而且在很是短的距离上，约莫是十亿分之一米的长度尺度。

于是Stranks博士团队和Dani教授团队形成了互助，看他们是否可以配合解决钙钛矿中暗区的可视化问题。

OIST的团队首次在钙钛矿上使用了一种称为光发射电子显微镜（PEEM）的技术，他们用紫外线探测该质料，并从发射的电子中形成图像。

当他们检察质料时，他们发现黑暗区域包罗“陷阱”，长度约10-100纳米，是由较小原子尺寸的陷阱位点组成的簇。这些陷阱簇不匀称地漫衍在整个钙钛矿质料中，这解释了Stranks博士早期研究中发现的不匀称发光现象。

有趣的是，当研究人员将陷阱位置的图像叠加到显示钙钛矿质料晶粒的图像上时，他们发现陷阱簇仅在特定位置形成，位于某些晶粒之间的界限处。

为了明白为什么仅在某些晶界发生这种现象，研究小组与剑桥大学质料科学与冶金学系的Paul Midgley教授的团队互助，后者使用一种称为扫描电子衍射（scanning electron diffraction）的技术来建立钙钛矿晶体结构的详细图像。Midgley教授的团队使用了钻石光源同步加速器的ePSIC设施中的电子显微镜设置，该设施具有用于对射线敏感质料（例如钙钛矿）成像的专用设备。

“由于这些质料对光束很是敏感，因此您可以使用典型的技术在这些长度尺度上探测局部晶体结构，从而在检察时迅速改变质料，” Stranks博士的Tiarnan Doherty解释说。研究小组和配合主要作者。“相反，我们能够使用很是低的袒露剂量，因此可以防止伤害。”

“通过OIST的事情，我们知道了陷阱簇的位置，在ePSIC上，我们在同一区域周围举行了扫描以检察局部结构。我们能够快速查明陷阱位置周围晶体结构的意外变化。”

该小组发现，陷阱簇仅在结点处形成，结点处质料的结构略有变形，而结点处的区域则为原始结构。

斯特兰克斯博士说：“钙钛矿中，我们有这些规则的镶嵌质料，大多数的晶粒又优质又原始，这是我们期望的结构。” “可是每隔一段时间，您会获得一个略微扭曲的颗粒，而且该颗粒的化学性质是不匀称的。真正有趣的是，最初使我们感应困惑的是，不是扭曲的颗粒才是陷阱，而是当谁人颗粒遇到一个原始颗粒；陷阱就在谁人结点形成。”

基于对这种“陷阱”性质的相识，OIST的团队还使用了定制的PEEM仪器来可视化钙钛矿质料中发生的电荷载流子陷阱历程的动力学。PEEM装置的奇特功效之一是，它可以对超快的历程举行成像——短至飞秒，随后，研究人员发现俘获历程主要由扩散到陷阱簇的电荷载流子控制。

这些发现代表了将钙钛矿带入太阳能市场的重大突破。“我们仍然不知道为什么陷阱会聚集在那儿，可是现在我们知道它们确实是在那儿形成的，而且只有在那儿。” “这令人兴奋，因为这意味着我们现在知道要针对什么来提高钙钛矿的性能。我们需要针对那些不匀称的相或以某种方式挣脱这些联合。”

团队的研究集中在一种特定的钙钛矿结构上。现在，科学家将观察这些陷阱簇的原因是否在所有钙钛矿质料中都普遍存在。

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/04/200415133625.htm