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借助新型显微镜,对有前途的太阳能电池材料的新发现
发布时间:2022-12-20 18:40:18 阅读:154

来源:美国能源部艾姆斯国家实验室;电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 王力 编译

显微镜尖端的可视化,将材料暴露在太赫兹光下。材料上的颜色表示光散射数据,红色和蓝色线条表示太赫兹波。图片来源:美国能源部艾姆斯国家实验室

    来自能源部艾姆斯国家实验室的一个科学家团队开发了一种新的表征工具,使他们能够对太阳能电池可能的替代材料获得独特的见解。在艾姆斯实验室资深科学家Jigang Wang的领导下,该团队开发了一种使用太赫兹波收集材料样品数据的显微镜。然后,该团队使用显微镜探索了甲基碘化铅铵(MAPbI3)钙钛矿,这种材料有可能会取代太阳能电池中的硅。

    艾姆斯实验室的科学家Richard Kim解释了使新型扫描探针显微镜与众不同的两个特征。首先,显微镜使用太赫兹范围的电磁频率来收集材料数据。这个范围远低于可见光谱,介于红外和微波频率之间。其次,太赫兹光通过锋利的金属尖端照射,增强了显微镜对纳米长度尺度的能力。

    “通常情况下,如果你有光波,你看不到比你正在使用的光的波长小的东西。对于这种太赫兹光,波长约为一毫米,因此它非常大,“Kim解释说。“但在这里,我们使用了这种锋利的金属尖端,其顶点被锐化为20纳米半径曲率,这充当我们的天线,可以看到比我们使用的波长更小的东西。

    使用这种新型显微镜,该团队研究了一种钙钛矿材料MAPbI3,最近科学家们对这种材料感兴趣,认为它可以替代太阳能电池中的硅。钙钛矿是一种特殊类型的半导体,当它暴露在可见光下时会传输电荷。在太阳能电池中使用MAPbI3的主要挑战是,当暴露于热和湿气等元素时,它很容易降解。

    根据Wang和Kim的说法,该团队预计MAPbI3在暴露于太赫兹光下时表现得像绝缘体。由于在样品上收集的数据是材料暴露于太赫兹波时光散射方式的读数,因此他们预计整个材料中的光散射水平一致。然而,他们发现,沿着颗粒之间的边界,光散射有很多变化。

    Kim解释说,导电材料,如金属,会具有高水平的光散射,而像绝缘体这样的导电性较低的材料则没有那么多。在MAPbI3中沿晶界检测到的光散射的广泛变化揭示了材料的降解问题。

    在一周的时间里,该团队继续收集有关材料的数据,在此期间收集的数据通过光散射水平的变化显示了降解过程。此信息可用于将来改进和操作材料。

    “我们相信,本研究展示了一种强大的显微镜工具,可以可视化,理解并可能减轻晶界退化,缺陷陷阱和材料降解,”Wang说。“更好地了解这些问题可能使未来许多年能够开发高效的钙钛矿光伏器件。

    MAPbI3的样品由托莱多大学提供。这项研究在由Richard H. J. Kim,Zhaoyu Liu,Chuankun Huang,Joong-Mok Park,Samuel J. Haeuser,Zhaoning Song,Yanfa Yanfa Yao,Liang Luo和Jigang Wang撰写的论文“钙钛矿太阳能电池材料的太赫兹纳米成像”中进一步讨论,并发表在ACS Photonics上。

 
 

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