阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)和普渡大学(Purdue University)的研究人员最近报告了一项通过跟踪钙钛矿中离子的运动来防止钙钛矿太阳能电池降解的努力。
该团队使用先进光子源(Advanced Photon Source，APS)实验室的X射线和特制的表征平台来揭示离子在紫外线(UV)辐射下在不同钙钛矿晶体内移动的方式。科学家们对在紫外线下测试材料稳定性很感兴趣，因为紫外线会显着降低太阳能电池的性能，有时在长时间暴露后会衰减50%以上。
当光与太阳能电池相互作用时，光会将电子从化学键中敲出并允许它们循环和移动。然而，钙钛矿的不稳定性意味着碘离子会以碘气体的形式离开体系，创造出一个离子空位，导致缺陷使电池停止运作。研究人员希望提高钙钛矿的稳定性，以实现太阳能电池的寿命达到20至30年，从而可以工业化使用。
“钙钛矿在太阳能电池方面具有很大的潜力，也可用于LED显示屏。在阿贡国家实验室，我们希望利用强大的X射线束来解码钙钛矿的奥秘，并发现克服其稳定性问题的潜在途径，“该论文的主要作者Yanqi(Grace)Luo说。
为了提高钙钛矿太阳能的效率，科学家们通过创新的成分和结构工程来提高材料的稳定性。通过改变卤化物比例，以不同的大小或数量添加离子，科学家可以有效地改变钙钛矿的性质和用途。
由于杂化钙钛矿的光捕获特性不稳定且容易改变，因此需要格外小心和专门设计的科学装置来研究它们。一些显微镜只能记录快照，在测量瞬间提供有关样品的特定信息。APS的仪器可以在整个观察过程中记录和提供有关样品状况的数据，这意味着研究纳米科学的研究人员可以目睹变化的发生。
Luo的团队已经证明，通过使用一种称为纳米探针X射线荧光(nano-XRF)的技术，他们可以在破坏钙钛矿材料之前直接捕获卤化物原子的运动。“这是一个新平台，可以在纳米尺度上精确地看到实验材料在运行时会发生什么，”该研究的另一位作者、阿贡物理学家Luxi Li说。
该团队使用的钙钛矿样品是实验室制造的低维或二维材料，它们由薄薄的钙钛矿片组成，这些钙钛矿整齐地夹在两层有机分子之间。研究人员首先通过收集材料内部原子的高分辨率元素图，对2D晶体进行了纳米XRF测量。然后，研究人员用同样的纳米聚焦X射线探针，通过X射线吸收光谱(XAS)测量原子结构。纳米XRF和XAS分别捕获了连续紫外辐照下这些二维晶体中的卤化物再分布和结构变化。这些发现为理解这些材料体系中的降解机制提供了新的见解。
通过新构建的XRF平台，研究人员增加了一些专门的光学元件和传感器，使他们能够在扫描过程中仔细调整光的亮度并检测X射线激发的光学光子。结果表明，低维钙钛矿在稳定性和维数之间显示出明显的联系。用有机分子层取代材料的某些元素并保护材料，为提高钙钛矿光伏电池的稳定性提供了一条潜在的途径。
目前，Luo和她的团队正在探索其他方法来限制卤化物的再分布程度，以提高材料的稳定性。当APS升级完成后，像Luo和Li这样的研究人员将准备好用更强大的X射线击中钙钛矿。“随着APS升级的到来，它应该使我们能够更好地了解各种时间尺度上能源材料的行为和工作原理，”Luo说。
升级后的 APS 预计将于 2024 年春季上线，届时 APS 将配备亮度高达 500 倍的 X 射线束。
