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阿貢國家實(shí)驗(yàn)室(Argonne National Laboratory)和普渡大學(xué)(Purdue University)的研究人員最近報告了一項通過跟蹤鈣鈦礦中離子的運(yùn)動來防止鈣鈦礦太陽能電池降解的努力。

該團(tuán)隊使用先進(jìn)光子源(Advanced Photon Source，APS)實(shí)驗(yàn)室的X射線和特制的表征平臺來揭示離子在紫外線(UV)輻射下在不同鈣鈦礦晶體內(nèi)移動的方式?？茖W(xué)家們對在紫外線下測試材料穩(wěn)定性很感興趣，因?yàn)樽贤饩€會顯著降低太陽能電池的性能，有時在長時間暴露后會衰減50%以上。


當(dāng)光與太陽能電池相互作用時，光會將電子從化學(xué)鍵中敲出并允許它們循環(huán)和移動。然而，鈣鈦礦的不穩(wěn)定性意味著碘離子會以碘氣體的形式離開體系，創(chuàng)造出一個離子空位，導(dǎo)致缺陷使電池停止運(yùn)作。研究人員希望提高鈣鈦礦的穩(wěn)定性，以實(shí)現(xiàn)太陽能電池的壽命達(dá)到20至30年，從而可以工業(yè)化使用。

“鈣鈦礦在太陽能電池方面具有很大的潛力，也可用于LED顯示屏。在阿貢國家實(shí)驗(yàn)室，我們希望利用強(qiáng)大的X射線束來解碼鈣鈦礦的奧秘，并發(fā)現(xiàn)克服其穩(wěn)定性問題的潛在途徑，“該論文的主要作者Yanqi(Grace)Luo說。

為了提高鈣鈦礦太陽能的效率，科學(xué)家們通過創(chuàng)新的成分和結(jié)構(gòu)工程來提高材料的穩(wěn)定性。通過改變鹵化物比例，以不同的大小或數(shù)量添加離子，科學(xué)家可以有效地改變鈣鈦礦的性質(zhì)和用途。

由于雜化鈣鈦礦的光捕獲特性不穩(wěn)定且容易改變，因此需要格外小心和專門設(shè)計的科學(xué)裝置來研究它們。一些顯微鏡只能記錄快照，在測量瞬間提供有關(guān)樣品的特定信息。APS的儀器可以在整個觀察過程中記錄和提供有關(guān)樣品狀況的數(shù)據(jù)，這意味著研究納米科學(xué)的研究人員可以目睹變化的發(fā)生。

Luo的團(tuán)隊已經(jīng)證明，通過使用一種稱為納米探針X射線熒光(nano-XRF)的技術(shù)，他們可以在破壞鈣鈦礦材料之前直接捕獲鹵化物原子的運(yùn)動。“這是一個新平臺，可以在納米尺度上精確地看到實(shí)驗(yàn)材料在運(yùn)行時會發(fā)生什么，”該研究的另一位作者、阿貢物理學(xué)家Luxi Li說。

該團(tuán)隊使用的鈣鈦礦樣品是實(shí)驗(yàn)室制造的低維或二維材料，它們由薄薄的鈣鈦礦片組成，這些鈣鈦礦整齊地夾在兩層有機(jī)分子之間。研究人員首先通過收集材料內(nèi)部原子的高分辨率元素圖，對2D晶體進(jìn)行了納米XRF測量。然后，研究人員用同樣的納米聚焦X射線探針，通過X射線吸收光譜(XAS)測量原子結(jié)構(gòu)。納米XRF和XAS分別捕獲了連續(xù)紫外輻照下這些二維晶體中的鹵化物再分布和結(jié)構(gòu)變化。這些發(fā)現(xiàn)為理解這些材料體系中的降解機(jī)制提供了新的見解。

通過新構(gòu)建的XRF平臺，研究人員增加了一些專門的光學(xué)元件和傳感器，使他們能夠在掃描過程中仔細(xì)調(diào)整光的亮度并檢測X射線激發(fā)的光學(xué)光子。結(jié)果表明，低維鈣鈦礦在穩(wěn)定性和維數(shù)之間顯示出明顯的聯(lián)系。用有機(jī)分子層取代材料的某些元素并保護(hù)材料，為提高鈣鈦礦光伏電池的穩(wěn)定性提供了一條潛在的途徑。

目前，Luo和她的團(tuán)隊正在探索其他方法來限制鹵化物的再分布程度，以提高材料的穩(wěn)定性。當(dāng)APS升級完成后，像Luo和Li這樣的研究人員將準(zhǔn)備好用更強(qiáng)大的X射線擊中鈣鈦礦。“隨著APS升級的到來，它應(yīng)該使我們能夠更好地了解各種時間尺度上能源材料的行為和工作原理，”Luo說。

升級后的 APS 預(yù)計將于 2024 年春季上線，屆時 APS 將配備亮度高達(dá) 500 倍的 X 射線束。 

原標(biāo)題：追蹤鈣鈦礦中離子的運(yùn)動以實(shí)現(xiàn)更好的PSC穩(wěn)定性