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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(diǎn)：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(gè)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(dú)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(jī)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(tuán)隊(duì)表明，添加少量這種PEA會(huì)產(chǎn)生更穩(wěn)定和有效的材料。但是，大量添加會(huì)降低光伏效率。”
這也是Portale加入進(jìn)來的原因。光物理和光電學(xué)教授Maria Loi對(duì)鈣鈦礦進(jìn)行了很長(zhǎng)時(shí)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(shí)時(shí)研究薄膜的形成。在實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)。
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(zhǎng)。”但是，原位結(jié)果卻相反：晶體在空氣/溶液界面開始生長(zhǎng)。在他的實(shí)驗(yàn)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(huì)抑制整體結(jié)晶，并且晶體僅從界面生長(zhǎng)。
“ 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(zhǎng)。此外，PEA分子可防止體相中的形核，因此僅發(fā)生晶體生長(zhǎng)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(huì)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(huì)急劇下降。
Portale和Loi進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)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(huì)導(dǎo)致形成擴(kuò)展的2 - D有機(jī)層，作為絕緣體，會(huì)對(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，這些相互作用可以破壞厚絕緣層的形成。”
論文標(biāo)題為《Mechanism of Crystal Formation in Ruddlesden-Popper Sn-based Perovskites》。
原標(biāo)題：X射線顯示無鉛鈣鈦礦太陽能電池板材料的原位晶體生長(zhǎng)
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