新技术能否为完善钙钛矿铺平道路？

下一代太阳能材料可能胜过其他太阳能电池

钙钛矿在光伏和其他类型的电子器件中是很有前途的活性层，可以响应或控制光，包括 LED、探测器和激光器。

劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）纳米科学用户设施分子铸造厂的科学家卡Carolin Sutter Fella解释说，尽管钙钛矿具有极大的潜力，可以极大地扩展太阳能，但它们尚未商业化，因为它们的可靠合成和长期稳定性长期以来一直是科学家们面临的挑战。现在，一条通向完美钙钛矿的道路可能很快就会实现

最近由 Sutter-Fella 共同领导的 Nature Communications 研究报告称，一种先进的新仪器可以帮助制造太阳能材料，该仪器使用两种类型的光——不可见的 X 射线光和可见的激光——来探测钙钛矿材料的晶体结构和合成时的光学特性。

“当人们制造太阳能薄膜时，他们通常有一个专门的合成实验室，需要去另一个实验室对其进行表征。通过我们的开发，你可以在同一时间、同一地点对一种材料进行完全合成和表征。”她说。

对于这项工作，Sutter-Fella 组建了一支由顶尖科学家和工程师组成的国际团队，在伯克利实验室的高级光源 (ALS) 中为 X 射线束线终端站配备了激光器。

新仪器的高强度 X 射线使研究人员能够探测钙钛矿材料的晶体结构并揭示有关快速化学过程的细节。例如，它可用于表征在一滴固化剂将液体前体溶液转化为固体薄膜之前和之后发生的情况。 （上图显示了一滴固化剂将液态前体溶液转化为钙钛矿太阳能材料之前、期间和之后发生的情况（从左到右）。）

同时，它的激光可用于在钙钛矿薄膜中产生电子和空穴（电荷载流子），使科学家能够观察太阳能材料对光的反应，无论是作为成品还是在材料的中间阶段合成。

“为 X 射线束线终端站配备激光使用户能够同时探测这些互补特性，”Sutter-Fella 解释说。

这种同时测量的组合可以成为自动化工作流程的一部分，以实时监控钙钛矿和其他功能材料的生产，以进行过程和质量控制。

钙钛矿薄膜通常通过旋涂制成，这是一种经济实惠的技术，不需要昂贵的设备或复杂的化学设置。当您考虑将硅制造成太阳能设备是多么的能源密集型时，钙钛矿的情况变得更加光明 - 硅需要大约 2,732 华氏度的加工温度。相比之下，钙钛矿很容易在室温下从溶液加工到仅 302 华氏度。

光束线终端站允许研究人员观察合成过程中发生的情况，特别是在旋涂的前几秒，这是一个关键的时间窗口，在此期间前体溶液慢慢开始凝固成薄膜。

第一作者 Shambhavi Pratap 专门研究使用 X 射线研究薄膜太阳能材料，作为 ALS 博士研究员，在开发该仪器方面发挥了关键作用。她最近在慕尼黑工业大学的 Müller-Buschbaum 小组完成了博士研究。

“该仪器将使研究人员能够记录通常被视为理所当然的小事情对材料质量和性能的重大影响，”Pratap说。

“要以低成本制造可重复且高效的太阳能电池，一切都很重要，”Sutter-Fella 说。她补充说，这项研究是一项跨越广泛科学学科的团队努力。

这项工作是 Sutter-Fella 于 2017 年获得伯克利实验室早期职业实验室指导研究与开发 (LDRD) 奖的一系列工作的最新章节。