借助新的显微镜对一种有前途的太阳能电池材料有了新的发现

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，使他们能够对一种可能的太阳能电池替代材料获得独特的洞察力。在埃姆斯实验室高级科学家王继刚的领导下，该团队开发了一种显微镜，使用太赫兹波来收集材料样本的数据。然后，该团队使用他们的显微镜来探索碘化甲铵铅(MAPbI3)过氧化物，这是一种有可能在太阳能电池中取代硅的材料。

来自埃姆斯实验室的科学家RichardKim解释了使新的扫描探针显微镜独特的两个特点。首先，该显微镜使用电磁频率的太赫兹范围来收集材料的数据。这个范围远远低于可见光光谱，位于红外线和微波频率之间。其次，太赫兹光通过一个尖锐的金属尖端照射，增强了显微镜对纳米长度尺度的能力。

"通常情况下，如果你有一个光波，你不能看到比你使用的光的波长小的东西。而对于这种太赫兹光，波长大约是一毫米，所以它相当大，"金解释说。"但在这里，我们使用了这个尖锐的金属尖端，它的顶点被削成了20纳米半径的曲率，这作为我们的天线，可以看到比我们使用的波长更小的东西。"

利用这种新的显微镜，研究小组调查了一种过氧化物材料MAPbI3，这种材料作为太阳能电池中硅的替代品，最近已经引起了科学家的兴趣。过氧化物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的主要挑战是它在暴露于热和湿气等元素时容易降解。

据Wang和Kim说，当他们将MAPbI3暴露在太赫兹光下时，该团队预计它的行为会像一个绝缘体。由于在样品上收集的数据是对材料暴露于太赫兹波时光的散射情况的解读，他们预计整个材料的光散射水平会很稳定。然而，他们发现的是，沿着晶粒之间的边界，光散射有很大的变化。

Kim解释说，像金属这样的导电材料会有很高的光散射水平，而像绝缘体这样的导电性较差的材料则不会有这么多。在MAPbI3中沿着晶界检测到的光散射的巨大变化揭示了该材料的退化问题。

在一周的时间里，该团队继续收集该材料的数据，在这段时间内收集的数据通过光散射水平的变化显示了退化的过程。这些信息对于将来改进和操纵这种材料是很有用的。

"我们相信，本研究展示了一个强大的显微镜工具，以可视化、理解和潜在地缓解晶界退化、缺陷陷阱和材料退化，"王说。"对这些问题的更好理解可能使我们能够在未来许多年里开发出高效的基于过氧化物的光伏设备。"

MAPbI3的样品由托莱多大学提供。这项研究在RichardH.J.Kim,ZhaoyuLiu,ChuankunHuang,Joong-MokPark,SamuelJ.Haeuser,ZhaoningSong,YanfaYan,YongxinYao,LiangLuo,andJigangWang撰写的"TerahertzNanoimagingofPerovskiteSolarCellMaterials"一文中进一步讨论，并发表在ACSPhotonics上。