X射線可顯示無鉛鈣鈦礦太陽能電池板材料的原位晶體生長

（文章來源：科技報告與資訊）

鉛基鈣鈦礦是用于太陽能電池板生產(chǎn)的非常有前途的材料。它們可以將光有效地轉(zhuǎn)化為電能，但是它們也存在一些主要缺點：最有效的材料不是很穩(wěn)定，而鉛是有毒的元素。荷蘭格羅寧根大學(xué)的科學(xué)家們正在研究鉛基鈣鈦礦的替代品。顯著影響這些太陽能電池效率的兩個因素是形成薄膜的能力和太陽能電池中材料的結(jié)構(gòu)。因此，研究無鉛鈣鈦礦晶體是如何形成的以及晶體結(jié)構(gòu)如何影響太陽能電池的功能非常重要。研究結(jié)果3月31日發(fā)表在《Advanced Functional Materials》雜志上 。

基于混合鈣鈦礦的光伏電池于2009年首次推出，并迅速變得幾乎與標(biāo)準(zhǔn)硅太陽能電池一樣高效。這些材料具有非常獨特的晶體結(jié)構(gòu)，稱為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。在理想的立方晶胞中，陰離子圍繞中心陽離子形成八面體，而立方體的角被其他較大的陽離子占據(jù)。不同的離子可用于產(chǎn)生不同的鈣鈦礦。

使用以鉛為中心陽離子的鈣鈦礦可獲得太陽能電池的最佳結(jié)果。由于這種金屬是有毒的，因此已開發(fā)出錫基替代品，例如， FASnI 3是一種很有前途的材料，但是，它缺乏某些鉛基材料的穩(wěn)定性。有研究人員嘗試將3-D FASnI 3晶體與包含有機陽離子苯乙基銨（PEA）的層狀材料混合。助理教授Giuseppe Portale說：“我的同事Maria Loi教授和她的研究團隊表明，添加少量這種PEA會產(chǎn)生更穩(wěn)定和有效的材料。但是，大量添加會降低光伏效率。”

這也是Portale加入進來的原因。光物理和光電學(xué)教授Maria Loi對鈣鈦礦進行了很長時間的研究，Portale開發(fā)了一種X射線衍射技術(shù)，使他能夠在溶液自旋涂層中實時研究薄膜的形成。在實驗室規(guī)模上，鈣鈦礦薄膜通常通過旋涂制成，該過程中將前體溶液輸送到快速旋轉(zhuǎn)的基材上。隨著溶劑的蒸發(fā)晶體生長。在法國格勒諾布爾的歐洲同步加速器輻射設(shè)施（ESRF）的光束線BM26B-DUBBLE上，Portale調(diào)查了鈣鈦礦型成膜過程中發(fā)生的情況。

Portale解釋說：“我們基于異位研究的最初想法是，定向晶體從基底表面向上生長?！?但是，原位結(jié)果卻相反：晶體在空氣/溶液界面開始生長。在他的實驗中，他使用3-D FASnI 3以及不同量的2-D PEASnI 4。在純3-D鈣鈦礦中，晶體開始在表面形成，但在溶液的大部分中也開始形成。但是，添加少量的2-D材料會抑制整體結(jié)晶，并且晶體僅從界面生長。

“ PEA分子在鈣鈦礦的前體溶液中起著積極的作用，通過在晶體邊緣的配位來穩(wěn)定取向的3-D狀晶體的生長。此外，PEA分子可防止體相中的形核，因此僅發(fā)生晶體生長在空氣/溶劑界面?！?Portale解釋說。所得的膜由排列在底部的3-D狀鈣鈦礦晶體和少量的2-D狀鈣鈦礦組成。添加低濃度的2-D材料會生成穩(wěn)定且有效的光伏材料，而在這種高濃度的2-D材料下效率會急劇下降。

Portale和Loi進行的實驗可以解釋這一觀察結(jié)果：“類似2D的鈣鈦礦位于基底/薄膜界面。將2D材料的含量增加到一定量以上會導(dǎo)致形成擴展的2 - D有機層，作為絕緣體，會對器件的效率產(chǎn)生不利影響。” 研究的結(jié)論是，必須防止這種絕緣層的形成，以實現(xiàn)高效，穩(wěn)定的錫基鈣鈦礦。“下一步就是通過與溶劑、溫度或特定的鈣鈦礦 /基材相互作用來實現(xiàn)這一目標(biāo)，這些相互作用可以破壞厚絕緣層的形成。”
（責(zé)任編輯：fqj）