一项新的研究解释了一种有前途的钙钛矿 - 人造晶体可以将太阳光转化为电能 - 如何稳定下来。结果，晶体变黑，使它们能够吸收太阳光。这对于能够在易于制造且高效的新太阳能电池板中使用它们是必要的。

近日由鲁文大学（KU Leuven）领导的一项研究首次解释了一种有前景的钙钛矿 - 人造晶体可将阳光转化为电能 - 如何得以稳定。结果，晶体变黑，使它们能够吸收太阳光。这对于能够在易于制造且高效的新型太阳能电池板中使用它们是必要的。该研究发表在“ 科学”杂志上 。

钙钛矿是具有许多应用的半导体材料。他们在收获太阳能方面表现出特别的能力。目前，大多数太阳能电池由硅晶体制成，硅晶体是一种相对简单有效的材料，可用于此目的。然而，基于钙钛矿的器件提供比硅更高的转换效率。唯一的问题是：一些最有希望的钙钛矿，即三碘化铅（CsPbI3），在室温下非常不稳定。在这些条件下，它们具有黄色，因为晶体中的原子不形成钙钛矿结构。为了使晶体有效地吸收阳光并将其转化为电能，它们应该处于黑色的钙钛矿状态 - 并保持这种状态。

“硅形成一种非常坚固的刚性晶体。如果按压它，它就不会改变它的形状。另一方面，钙钛矿更柔软，更具延展性，”KU鲁汶膜中心的Julian Steele博士解释说。可持续解决方案的分离，吸附，催化和光谱学（cMACS）。“我们可以在各种实验室条件下稳定它们，但在室温下，黑色钙钛矿原子确实需要重新洗牌，改变结构，最终将晶体变成黄色。”

斯蒂尔与国际科学家团队一起发现，通过将钙钛矿太阳能电池的薄膜粘合到一块玻璃上，细胞可以获得并保持其所需的黑色状态。将薄膜加热至330摄氏度的温度，使钙钛矿膨胀并粘附在玻璃上。加热后，将薄膜快速冷却至室温。这个过程固定晶体中的原子，限制它们的运动，使它们保持所需的黑色形状。

“有三个支柱决定了太阳能电池的质量：价格，稳定性和性能。钙钛矿在性能和价格方面得分很高，但它们的稳定性仍然是一个主要问题，”斯蒂尔说。几年来，科学家们已经观察到钙钛矿可以在加热后保持黑度，但目前还不清楚为什么。“在我们的研究中，我们选择了CsPbI3，因为它的性能非常高，”Steel解释道。“此外，它是最不稳定的钙钛矿类型之一，这意味着它对我们描述的方法很敏感，应该转化为其他不稳定的钙钛矿。”

该研究中使用的大部分数据都是在欧洲同步辐射装置收集的。为了理解分子尺度上的实验观察，根特大学分子模拟中心（CMM）的同事通过理论模拟钙钛矿的黑色和黄色相来支持这一发现。计算结果对于合理化将黑相固定在玻璃基板上作为薄膜时的稳定性是必要的。

尽管存在假设，但如何完全结合仍然是个谜。“通常情况下，我们会选择具有原子分辨率的显微镜并直接看一下。然而，这对于钙钛矿来说是不可能的，因为它们很难用这种高分辨率的成像仪器观察，因为它们非常柔软并且容易在下面分离。普通探头能量相对较高。“

“了解这种机制如何工作将有助于进一步研究，最终开发出使用纯钙钛矿晶体的太阳能电池板，”斯蒂尔说。“由于加工钙钛矿型太阳能电池的入门级别相对较低，因此对于在更有限的基础设施中运营的发展中国家的人们来说，它们非常有益。” 此外，钙钛矿可用于LED，光电传感器，晶体管，X射线探测器等。

新一代太阳能电池包括哪几类太阳能电池呢？

我国近年来突破了核聚变这项技术，填补了之前的空白，也让我们在这方面越来越有话语权。

可以测量受控聚变装置和聚变研究的水平，燃料离子温度、等离子体密度和能量的时间限制。当前等离子体强度是托卡马克聚变装置的核心，也是最有用的参数。其大小将显著影响三个等离子体密度和能量参数的时间限制。该装置的等离子体被认为高达100万安培的电流是实现聚变能的必要条件。因此，未来的托卡马克聚变反应堆应该在万亿电流下稳定运行。

HL-2M装置的等离子体电流强度已超过100万安培，这意味着该装置已满足点火要求和核聚变稳定运行所需的条件，有望实现可控核聚变。实际上，这对于国际热核聚变实验项目或中国聚变反应堆的独立运行具有重要意义。它创造了中国可控聚变电站运行的新纪录。

因为这一新突破意味着该装置未来可以在超过1兆安培的等离子体电流下常规运行，对中国未来深度参与国际热核反应堆（ITER）实验、自主设计和运行聚变反应堆具有重要意义。人造太阳可以在超过1兆安培的等离子体电流下正常工作。人造太阳能的迅速发展可以认为是令人满意的。                    

毕竟，中国能源消费的严重性需要创新技术来改变，人工太阳能可以很好地解决危机，这样我们就不用担心高峰时段停电，许多山区居民可以使用稳定的家用电源。新一代HL-2M人造太阳是我国研制的磁限可控核聚变实验研究装置。因为它采用了先进的托卡马克结构和控制模式，以上只是我个人观点的一小部分。

钙钛矿中缺陷研究取得新进展，新一代太阳能电池将离市场更近！

太阳能电池板的种类： 　 1、单晶硅太阳能电池：　目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24％，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。 2、多晶硅太阳能电池： 　多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约12％左右 (2004年7月1日日本夏普上市效率为14.8%的世界最高效率多晶硅太阳能电池)。 3、非晶硅太阳能电池： 　非晶硅太阳电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。 4、多元化合物太阳电池： 　多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。现在各国研究的品种繁多，大多数尚未工业化生产。太阳能电池板(Solar panel)： 1、是通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能的装置，大部分太阳能电池板的主要材料为"硅"，但因制作成本较大，以至于它普遍地使用还有一定的局限。 2、相对于普通电池和可循环充电电池来说，太阳能电池属于更节能环保的绿色产品。

导读

背景

1839年，德国矿物学家古斯塔夫·罗斯（Gustav Rose）站在俄罗斯中部的乌拉尔山脉上，拾起一块以前从未被发现的矿物。

那时，他并没有听说过“晶体管”或“二极管”，也没想到电子器件会成为我们日常生活的一部分。更出乎他意料的是，他手中的这块被他以俄罗斯地质学家 Lev Perovski 的名字命名为“钙钛矿（perovskite）”的这块矿石，会成为彻底变革电子器件的关键因素之一。

钙钛矿如此重要的地位，离不开它特殊的结构。钙钛矿材料结构式一般为ABX3，其中A为有机阳离子, B为金属离子, X为卤素基团。该结构中, 金属B原子位于立方晶胞体心处, 卤素X原子位于立方体面心, 有机阳离子A位于立方体顶点位置。

钙钛矿结构稳定，有利于缺陷的扩散迁移，具备许多特殊的物理化学特性，例如电催化性、吸光性等。

过去十年，钙钛矿因为制造起来更便宜、更绿色，效率可与硅太阳能电池相媲美，逐渐成为硅太阳能电池的替代品。

然而，钙钛矿仍会表现出明显的性能损耗以及不稳定性。迄今为止，大多数的研究集中在消除这些损耗的方法，然而真正的物理原因仍然是未知的。

创新

近日，在一篇发表在《自然（Nature）》期刊上的论文中，来自剑桥大学化学工程与生物技术系以及卡文迪许实验室 Sam Stranks 博士的研究小组，以及日本冲绳科学技术大学院大学 Keshav Dani 教授的飞秒光谱学单位的研究人员们，找到了问题的根源。他们的发现，将使得提升钙钛矿的效率变得更容易，从而使它们离大规模量产更近。

技术

当光线照射钙钛矿太阳能电池时，或者当电流通过钙钛矿LED时，电子被激发，跳跃到更高的能态。带负电荷的电子留下了空白，也称为“空穴”，它带正电荷。受激发的电子与空穴都可以通过钙钛矿材料，因此可成为载流子。

但是，在钙钛矿中会产生一种称为“深阱”的特定类型缺陷，带电的载流子会陷入其中。这些被困的电子与空穴重新结合，它们的能量以热量形式丧失，而不是转化为有用电力或者光线，这样就会显著降低太阳能面板和LED的效率以及稳定性。

迄今为止，我们对于这些陷阱知道得很少，部分原因是，它们似乎与传统太阳能电池材料中的陷阱表现得大相径庭。

2015年，Stranks 博士的研究小组发表了一篇研究钙钛矿发光的《科学（Science）》期刊论文，这篇论文揭示了钙钛矿在吸收光线或者发射光线方面有多擅长。Stranks 博士表示：“我们发现，这种材料非常不均匀；相当大的区域是明亮且发光的，而其他的区域则非常黑暗。这些黑暗区域与太阳能电池或者LED中的能量损耗相关。但是，引起这种能量损耗的原因一直是个谜，特别是由于钙钛矿在其他方面非常耐缺陷。”

由于标准成像技术的限制，研究小组无法说明黑暗区域是由一个大的陷阱位引起的，还是由众多小的陷阱位引起的，从而难以确定它们为什么只是在特定区域形成。

后来在2017年，Dani 教授在 OIST 的研究小组在《自然纳米技术（Nature Nanotechnology）》期刊上发表了一篇论文，在论文中他们制作了一个有关电子吸收光线后在半导体中如何表现的影片。Dani 教授表示：“在材料或者器件被照射光线之后，如果你可以观察到电荷是如何在其中移动的，那么你将从中学会很多。例如，你可以观察到电荷会落入陷阱。然而，因为电荷移动得非常快，以一千万亿分之一秒的时间尺度来衡量；并且穿越非常短的距离，以十亿分之一米的长度尺度来衡量；所以这些电荷难以进行可视化观测。”

在了解到 Dani 教授的工作之后，Stranks 博士伸出援手，看看他们是否可以一起合作应对这个问题，对钙钛矿中的黑暗区域进行可视化观测。

OIST 的团队首次对钙钛矿使用了一项称为“光激发电子显微镜（PEEM）”的技术。他们用紫外光探测材料，并用发射的电子形成一幅图像。

观察材料时，他们发现含有陷阱的黑暗区域，长度大约是10到100纳米，由较小的原子尺寸陷阱位聚集而成。这些陷阱簇在钙钛矿材料中分布不均，从而解释了 Stranks 较早的研究中观察到的非均匀发光。

有趣的是，当研究人员将陷阱位的图像覆盖到显示钙钛矿材料晶粒的图像上时，他们发现陷阱簇仅在特定的地方形成，即某些晶粒之间的边界上。

为了理解这种现象为什么只发生在特定晶粒的边界上，研究人员小组与剑桥大学材料科学与冶金系教授 Paul Midgley 的团队合作，他采用了一项称为“扫描电子衍射”的技术，创造出了钙钛矿晶体结构的详细图像。Midgley 教授的团队利用了位于金刚石光源同步加速器 ePSIC 设施中的电子显微镜装置，该设施拥有用于成像像钙钛矿这样的光束敏感材料的专用设备。

Stranks 研究小组的博士生、这项研究的共同领导作者 Tiarnan Doherty 表示：“因为这些材料是超级光束敏感的，你在这些长度尺度上用来探测局部晶体结构的一般技术，实际上会相当快地改变你正在观察的材料。取而代之的是，我们可以用非常低的照射剂量，从而防止损伤。”

“我们从 OIST 的工作中知道了陷阱簇的位置，并且我们在 ePSIC 围绕着同一块区域扫描，以观察局部结构。我们能够快速地查明晶体结构中陷阱位附近的意外变化。”

研究小组发现，陷阱簇只在材料中具有轻微扭曲结构的区域与具有原始结构的区域的结合处形成。

Stranks 博士表示：“在钙钛矿中，我们拥有这些规则的马赛克晶粒材料，这些晶粒大多数都是又好又崭新的，这是我们所希望的结构。但是，每隔一段时间，你就会得到一个稍微形变的晶粒，这个晶粒的化学成分是不均匀的。真正有意思的，也是一开始让我们困惑的，就是形变的晶粒并没有成为陷阱，而是这个晶粒遇到原始晶粒的地方；陷阱是在那个结合处形成的。”

通过对于陷阱本性的理解，OIST 的团队也采用了定制的 PEEM 仪器来可视化观测钙钛矿材料中载流子落入陷阱的动态过程。Dani 研究小组的博士生、这项研究的共同领导作者 Andrew Winchester 解释道：“这是可能的，因为 PEEM 的特征之一就是，可对超高速的过程进行成像，短至飞秒。我们发现，陷落的过程受到扩散到陷阱簇的载流子的控制。”

价值

这些发现代表了为了把钙钛矿带向太阳能市场所取得的一项重要突破。

Stranks 博士表示：“我们仍然无法准确地知道，为什么陷阱聚集在那里，但是我们现在知道它们确实在那里形成，并且只有那里。这非常令人振奋，因为这意味着我们现在可以知道如何有针对性地提升钙钛矿的性能。我们需要针对这些非均匀相，或者以某种方式去除这些结合处。”

Dani 教授表示：“载流子必须首先扩散到陷阱，这一事实也为改善这些器件提出了其他方案。也许，我们可以改变或者控制这些陷阱簇的排列，而无需改变它们的平均数，这样一来，载流子就不太可能到达这些缺陷部位。”

团队的研究集中在一种特殊的钙钛矿结构。科学家们也将研究这些陷阱簇是否在所有的钙钛矿材料中都是普遍存在的。

Stranks 博士表示：“器件性能的大部分进展都是经过反复试错的，然而目前为止，这一直是一个低效率的过程。迄今为止，这个过程还没有真正被‘理解特定原因以及系统性针对该原因’所驱动。它是这方面最重要的突破之一，将帮助我们采用基础科学来设计更高效的器件。”

关键字

参考资料

【1】Liu, M.Z., Johnston, M.B. and Snaith, H.J. (2013) Efficient Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells by vaPour Deposition. Nature, 501, 395-398. https://doi.org/10.1038/nature12509

【2】Tiarnan A. S. Doherty, Andrew J. Winchester, Stuart Macpherson, Duncan N. Johnstone, Vivek Pareek, Elizabeth M. Tennyson, Sofiia Kosar, Felix U. Kosasih, Miguel Anaya, Mojtaba Abdi-Jalebi, Zahra Andaji-Garmaroudi, E Laine Wong, Julien Madéo, Yu-Hsien Chiang, Ji-Sang Park, Young-Kwang Jung, Christopher E. Petoukhoff, Giorgio Divitini, Michael K. L. Man, Caterina Ducati, Aron Walsh, Paul A. Midgley, Keshav M. Dani, Samuel D. Stranks. Performance-limiting nanoscale trap clusters at grain junctions in halide perovskites . Nature, 2020580 (7803): 360 DOI: 10.1038/s41586-020-2184-1

【3】https://www.oist.jp/news-center/press-releases/shedding-light-dark-traps

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