劍橋大學(xué)的研究人員首次使用了一套相關(guān)的多模態(tài)顯微鏡方法來(lái)可視化為什么鈣鈦礦材料似乎如此容忍其結(jié)構(gòu)中的缺陷。他們的發(fā)現(xiàn)今天發(fā)表在《自然納米技術(shù)》上。

生產(chǎn)太陽(yáng)能電池板最常用的材料是晶體硅，但要實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換，需要能源密集型和耗時(shí)的生產(chǎn)過(guò)程來(lái)創(chuàng)建所需的高度有序的晶片結(jié)構(gòu)。

在過(guò)去十年中，鈣鈦礦材料已成為有前途的替代品。

用于制造它們的鉛鹽比晶體硅更豐富且生產(chǎn)成本更低，并且它們可以用液體墨水制備，只需印刷即可生成材料薄膜。它們還顯示出在其他光電應(yīng)用方面的巨大潛力，例如節(jié)能發(fā)光二極管(LED)和X射線探測(cè)器。

鈣鈦礦令人印象深刻的性能令人驚訝。優(yōu)秀半導(dǎo)體的典型模型是非常有序的結(jié)構(gòu)，但鈣鈦礦中組合的不同化學(xué)元素陣列創(chuàng)造了一個(gè)更加“混亂”的景觀。

這種異質(zhì)性會(huì)導(dǎo)致材料中的缺陷，從而導(dǎo)致納米級(jí)“陷阱”，從而降低設(shè)備的光伏性能。但是，盡管存在這些缺陷，鈣鈦礦材料仍然顯示出與其硅替代品相當(dāng)?shù)男仕健?/p>

事實(shí)上，該小組早期的研究表明，無(wú)序結(jié)構(gòu)實(shí)際上可以提高鈣鈦礦光電的性能，他們的最新工作試圖解釋原因。

該小組結(jié)合了一系列新的顯微鏡技術(shù)，展示了這些材料的納米級(jí)化學(xué)、結(jié)構(gòu)和光電景觀的完整圖片，揭示了這些競(jìng)爭(zhēng)因素之間復(fù)雜的相互作用，并最終展示了哪些是最重要的。

“我們看到的是，我們有兩種形式的無(wú)序同時(shí)發(fā)生，”博士解釋說(shuō)。學(xué)生KyleFrohna，“與降低表現(xiàn)的缺陷相關(guān)的電子障礙，然后是似乎改善表現(xiàn)的空間化學(xué)障礙。

“而且我們發(fā)現(xiàn)，化學(xué)無(wú)序——在這種情況下是‘好’無(wú)序——通過(guò)將電荷載流子從這些陷阱中匯集起來(lái)，否則它們可能會(huì)陷入困境，從而減輕缺陷中的‘壞’無(wú)序。”

研究人員與劍橋的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室、位于迪德科特的鉆石光源同步加速器設(shè)施和沖繩科學(xué)技術(shù)研究所合作，使用幾種不同的顯微技術(shù)來(lái)觀察鈣鈦礦薄膜中的相同區(qū)域。然后，他們可以比較所有這些方法的結(jié)果，以全面了解這些有前途的新材料在納米級(jí)發(fā)生的情況。

“我們的想法是我們做一些叫做多模態(tài)顯微鏡的事情，這是一種非常奇特的說(shuō)法，我們用多個(gè)不同的顯微鏡觀察樣品的同一區(qū)域，并基本上嘗試將我們從一個(gè)顯微鏡中提取的特性與我們提取的特性相關(guān)聯(lián)來(lái)自另一個(gè)，”弗羅納說(shuō)。“這些實(shí)驗(yàn)既耗時(shí)又占用大量資源，但就可以提取的信息而言，您獲得的回報(bào)非常好。”

這些發(fā)現(xiàn)將使該小組和該領(lǐng)域的其他人能夠進(jìn)一步改進(jìn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制造方式，以最大限度地提高效率。

“很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，人們一直在使用缺陷容限這個(gè)術(shù)語(yǔ)，但這是第一次有人正確地將其可視化以了解這些材料中缺陷容限的實(shí)際含義。

“知道這兩種相互競(jìng)爭(zhēng)的疾病正在相互競(jìng)爭(zhēng)，我們可以考慮如何有效地調(diào)節(jié)一種疾病以最有益的方式減輕另一種疾病的影響。”

“就實(shí)驗(yàn)方法的新穎性而言，我們遵循了相關(guān)的多模態(tài)顯微鏡策略，但不僅如此，每項(xiàng)獨(dú)立技術(shù)本身都是最前沿的，”劍橋化學(xué)系皇家工程研究院研究員MiguelAnaya說(shuō)。工程與生物技術(shù)

“我們已經(jīng)顯現(xiàn)，并給出理由，我們可以把這些材料缺陷寬容。這種方法使新航線在納米尺度來(lái)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，最終，進(jìn)行了有針對(duì)性的應(yīng)用程序更好。現(xiàn)在，我們可以看看這是其他類型的鈣鈦礦不僅適用于太陽(yáng)能電池，也適用于LED或探測(cè)器，并了解它們的工作原理。

“更重要的是，我們?cè)谶@項(xiàng)工作中開(kāi)發(fā)的一套采集工具可以擴(kuò)展到研究任何其他光電材料，這可能對(duì)更廣泛的材料科學(xué)界產(chǎn)生極大的興趣。”

“通過(guò)這些可視化，我們現(xiàn)在可以更好地了解這些迷人半導(dǎo)體中的納米級(jí)景觀——好的、壞的和丑陋的，”劍橋大學(xué)化學(xué)工程和生物技術(shù)系能源學(xué)助理教授SamStranks說(shuō)。

“這些結(jié)果解釋了該領(lǐng)域?qū)@些材料的經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化如何將這些混合成分鈣鈦礦驅(qū)動(dòng)到如此高的性能。但它也揭示了設(shè)計(jì)可能具有相似屬性的新半導(dǎo)體的藍(lán)圖——其中可以利用無(wú)序來(lái)定制性能.”

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