阿貢國家實驗室和普渡大學的研究人員最近報告了一項通過跟蹤鈣鈦礦中離子的運動來防止鈣鈦礦太陽能電池降解的努力。
該團隊使用來自先進光子源（APS）實驗室的X射線和特製的表徵平台來揭示離子在紫外線（UV）輻射下如何在不同的鈣鈦礦晶體中移動。 科學家們對測試材料在紫外線下的穩定性很感興趣，紫外線會顯著降低太陽能電池的效能，有時在長時間暴露後會降低50%以上。
當光與太陽能電池相互作用時，光將電子從化學鍵中剔除，並允許它們迴圈和移動。 然而，鈣鈦礦的不穩定性意味著碘離子以碘氣體的形式離開系統，產生離子空位，導致缺陷停止電池。 研究人員希望提高鈣鈦礦的穩定性，使太陽能電池能夠持續20至30年，從而可以用於工業。
鈣鈦礦在太陽能電池中具有巨大的潛力，也可用於LED顯示屏。 在阿貢國家實驗室，我們希望利用強大的X射線束來解碼鈣鈦礦的奧秘，並發現克服其穩定性問題的潛在方法，“該研究的主要作者Yanqi（Grace）Luo說。
為了提高鈣鈦礦太陽能的效率，科學家們通過創新的成分和結構工程提高了材料的穩定性。 通過改變鹵化物比例，新增不同大小或數量的離子，科學家可以有效地改變鈣鈦礦的性質和用途。
由於雜化鈣鈦礦的光捕獲特性不穩定且容易改變，因此需要格外小心和專門設計的科學裝置來研究它們。 一些顯微鏡只能記錄快照，在測量時提供有關樣品的特定資訊。 APS的儀器可以在整個觀察過程中記錄和提供有關樣品狀況的資料，這意味著研究奈米科學的研究人員可以見證變化的發生。
Luo的團隊已經證明，通過使用一種稱為奈米探針X射線螢光（nano-XRF）的技術，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動。 “這是乙個新平台，可以讓你準確地看到奈米級的實驗材料在執行時會發生什麼，”阿貢大學的物理學家、該研究的另一位作者Luxi Li說。
該團隊使用的鈣鈦礦樣品是實驗室製造的低維或二維材料，由鈣鈦礦薄片整齊地夾在兩層有機分子之間組成。 研究人員首先通過收集材料內部原子的高解像度元素圖對2D晶體進行了奈米XRF測量。 然後，研究人員使用相同的奈米聚焦X射線探針通過X射線吸收光譜（XAS）測量原子結構。 NanoXRF和XAS分別在連續紫外線照射下捕獲這些二維晶體中的鹵化物再分布和結構變化。 這些發現為這些材料體系的降解機制提供了新的見解。
通過新構建的XRF平台，研究人員增加了專門的光學元件和感測器，使他們能夠在掃瞄過程中仔細調整光的亮度並檢測X射線激發的光學光子。 結果表明，低維鈣鈦礦在穩定性和維數之間表現出明顯的關係。 用有機分子層替換材料的某些元素並保護材料為提高鈣鈦礦光伏電池的穩定性提供了一條潛在的途徑。
目前，Luo和她的團隊正在探索其他方法來限制鹵化物的再分布程度，以提高材料的穩定性。 當APS公升級完成後，像LUO和LI這樣的研究人員將準備好用更強大的X射線擊中鈣鈦礦。 “隨著APS公升級的出現，它應該使我們能夠更好地了解能源材料在各種時間尺度上的行為和工作方式，”羅說。
公升級後的 APS 預計將於 2024 年春季上線，並將配備亮度高達 500 倍的 X 射線束。