钙钛矿太阳能电池赢在卤素竞争机制

材料牛注：来自美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员，通过对太阳能材料中卤素竞争现象的追踪、监控，找到了一条提高太阳能电池效率的潜在途径。

太阳能电池直接将光能转换成电能，对世界可再生能源来说，其影响正逐渐变得日益突出。而对太阳能电池的相关研究中，钙钛矿是一个比较有前景的领域。相比典型的硅基半导体，钙钛矿材料可以让光电转换效率更高、成本更低。

然而，钙钛矿基太阳能电池因其可靠性差、生产效率低等问题，也面临发展瓶颈。

据美国橡树岭国家实验室（ORNL）纳米材料科学中心博士后研究员Bin Yang介绍，有机金属卤化物钙钛矿半导体相比硅基太阳能电池，具有高的承载能力和效率。

该研究组最新研究结果表明，在活性碘离子存在的情况下，带负电荷的溴和氯就会脱离最终的钙钛矿晶体结构。

文章第一作者Yang谈到，为了能够迈出第一步，并最大化有机金属卤化物型太阳能电池技术，我们就需要知道如何制备出高品质光吸收材料，如何建立最优薄膜生长工艺。而简单的钙钛矿墨水打印或喷洒使得制备太阳能电池组件成本更为低廉。

使用高性能的成像技术，Yang和其团队追踪了有机金属卤化物钙钛矿的动能。他们发现，占据生长结构位置的卤素离子影响晶体中电荷的运动，从而影响光电转化效率。文章的共同作者Kai Xiao，认为：“金属卤化物钙钛矿动能，对推进高效光电子材料与设备的发展具有很大挑战。”

该团队首先使用X射线衍射，对结晶过程进行实时信息反馈，对混合卤化物蒸汽与碘化铅薄膜之间的反应进行即刻监控。

随后，ORNL研究人员使用飞行时间二次离子质谱分析仪，获取钙钛矿的化学、分子和元素数据。质谱仪的粒子光束提供了分子晶体表面活动的快照信息，建立了氯在钙钛矿薄膜晶界、裂缝的最终分布。结合成像技术， ORNL研究团队追踪了在太阳能材料中卤素竞争的结果。

研究人员发现，当溴、氯以及碘离子促进发展中的有机金属钙钛矿结构增长时，只有碘获得了一个位置。尽管溴、氯被排挤在外，但是，它们很有团队精神，共同促进了整个晶体的成长。

据Xiao介绍，该测量让我们更加深入的认识了钙钛矿的结晶动力学，从而改善这种高效太阳能电池材料的合成与加工。识别混合钙钛矿中卤化物竞争的化学现象，将有助于为更好、更廉价的太阳能设备加工大颗粒钙钛矿薄膜。

论文地址：Deciphering Halogen Competition in Organometallic Halide Perovskite Growth

原文网址：How halogen atoms compete to grow 'winning' perovskites

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