首次以原子分辨率成像的混合光活性钙钛矿
已经开发出一种新技术，可以首次对混合光活性钙钛矿薄膜拍摄可靠的原子分辨率图像。这是非常适合高效光伏和光电应用的材料。这些图像对提高太阳能电池材料的性能具有重要意义，并开启了理解这些具有重要技术意义的材料的更高水平的能力。这一突破是由牛津大学和 Diamond Light Source 的一个联合团队实现的，他们刚刚发表了一篇将于10 月 30 日发表在《科学》杂志上的新论文，名为“金属卤化物钙钛矿的原子级微观结构”。
该团队使用牛津大学材料系的 ePSIC(电子物理科学成像中心)E02 显微镜和 ARM200 显微镜开发了一种新技术，使他们能够以原子分辨率对混合光活性钙钛矿薄膜进行成像。这使他们对原子构成有了前所未有的了解，并为他们提供了其他所有技术都看不到的信息。
牛津大学物理系的 Mathias Uller Rothmann 博士解释说;“这是能够在最基本的原子水平上对这些重要的太阳能电池材料进行成像并从而理解这些材料的最后一步。这是一个重大发现，尽管这些材料是其中的一部分，但之前尚未成功完成。这是过去 8 年来世界上研究最深入的一次。这种材料在电子束下损坏得非常快，所以我们不得不将电子剂量降低到我们在探测器可以记录的极限下运行的程度。事实上，损坏发生得如此之快，以至于在“正常”成像条件下，损坏已在您意识到之前完成。
这些特定钙钛矿令人印象深刻的性能背后的机制尚未完全了解，但它们可能取决于它们可能独特的原子级特性。
ePSIC 首席电子显微镜专家 Chris Allen 博士说;“以原子分辨率对光束敏感材料进行成像极具挑战性，因为高能电子往往会损坏样品，改变其原子结构。通过采用通常与低电子剂量成像无关的成像技术，牛津大学科学家之间的这种合作ePSIC 对这类重要材料取得了前所未有的分辨率。这不仅回答了有关混合钙钛矿的原子结构的问题，而且为研究许多其他光束敏感材料开辟了道路。”
该论文回顾了现在可用于对材料成像的条件组合，以及以前从未在这些材料中观察到的微观特性图像。该团队将其描述为革命性的，因为它现在允许科学家以原子精度和准确度准确研究薄膜的局部构成。这种技术相当广泛地用于研究其他材料，但由于光活性钙钛矿的非常不稳定的性质，尤其是在电子束下，到目前为止，这对于混合钙钛矿来说是不可能的。
“使用我们的协议，我们已经能够描述晶界的确切原子性质，这是钙钛矿太阳能电池最难理解的方面之一，并描述了一系列全新的晶体缺陷，这些缺陷可能对晶界产生重大影响。太阳能电池器件的宏观性能。你可以说我们现在已经解锁了理解这些令人兴奋的材料的下一个层次的能力。虽然我们还没有全面了解这对这些太阳能电池的发展意味着什么，研究人员在试图回答有关钙钛矿太阳能电池材料微观特性的问题时，现在将能够给出明确的答案，而不是有根据的猜测。回答这些问题将是指导该领域朝着性能更好的太阳能电池迈出的一大步，也许，以防止气候灾难，” Rothmann 博士总结道。
该团队的新技术使他们能够观察到与混合钙钛矿有关的全新现象，包括其他技术无法解决的重要特性，例如晶界和其他界面的精确构成。此外，该团队观察到一系列晶体缺陷，这些缺陷从未被考虑用于混合钙钛矿，并且在其他太阳能电池材料中已知对整体性能非常不利。消除这些缺陷对于提高性能很重要，但直到现在，还无法可靠地识别它们的存在。
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2021-06-10
