鈣鈦礦太陽能電池贏在鹵素競爭機制

材料牛注：來自美國能源部橡樹嶺國家實驗室的研究人員，通過對太陽能材料中鹵素競爭現象的追蹤、監控，找到了一條提高太陽能電池效率的潛在途徑。

太陽能電池直接將光能轉換成電能，對世界可再生能源來說，其影響正逐漸變得日益突出。而對太陽能電池的相關研究中，鈣鈦礦是一個比較有前景的領域。相比典型的硅基半導體，鈣鈦礦材料可以讓光電轉換效率更高、成本更低。

然而，鈣鈦礦基太陽能電池因其可靠性差、生產效率低等問題，也面臨發展瓶頸。

據美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）納米材料科學中心博士后研究員Bin Yang介紹，有機金屬鹵化物鈣鈦礦半導體相比硅基太陽能電池，具有高的承載能力和效率。

該研究組最新研究結果表明，在活性碘離子存在的情況下，帶負電荷的溴和氯就會脫離最終的鈣鈦礦晶體結構。

文章第一作者Yang談到，為了能夠邁出第一步，并最大化有機金屬鹵化物型太陽能電池技術，我們就需要知道如何制備出高品質光吸收材料，如何建立最優薄膜生長工藝。而簡單的鈣鈦礦墨水打印或噴灑使得制備太陽能電池組件成本更為低廉。

使用高性能的成像技術，Yang和其團隊追蹤了有機金屬鹵化物鈣鈦礦的動能。他們發現，占據生長結構位置的鹵素離子影響晶體中電荷的運動，從而影響光電轉化效率。文章的共同作者Kai Xiao，認為：“金屬鹵化物鈣鈦礦動能，對推進高效光電子材料與設備的發展具有很大挑戰。”

該團隊首先使用X射線衍射，對結晶過程進行實時信息反饋，對混合鹵化物蒸汽與碘化鉛薄膜之間的反應進行即刻監控。

隨后，ORNL研究人員使用飛行時間二次離子質譜分析儀，獲取鈣鈦礦的化學、分子和元素數據。質譜儀的粒子光束提供了分子晶體表面活動的快照信息，建立了氯在鈣鈦礦薄膜晶界、裂縫的最終分布。結合成像技術，?ORNL研究團隊追蹤了在太陽能材料中鹵素競爭的結果。

研究人員發現，當溴、氯以及碘離子促進發展中的有機金屬鈣鈦礦結構增長時，只有碘獲得了一個位置。盡管溴、氯被排擠在外，但是，它們很有團隊精神，共同促進了整個晶體的成長。

據Xiao介紹，該測量讓我們更加深入的認識了鈣鈦礦的結晶動力學，從而改善這種高效太陽能電池材料的合成與加工。識別混合鈣鈦礦中鹵化物競爭的化學現象，將有助于為更好、更廉價的太陽能設備加工大顆粒鈣鈦礦薄膜。

論文地址：Deciphering Halogen Competition in Organometallic Halide Perovskite Growth

原文網址：How halogen atoms compete to grow 'winning' perovskites

感謝素材組丁菲菲提供素材。