新钙钛矿助力太阳能电池和LED

卤化铅钙钛矿性能优异，能量转化率高，是最有前景的太阳能电池用半导体之一。爱荷华州立大学副教授，同时也是美国能源部埃姆斯实验室的科学家Javier Vela发现，混合卤化物钙钛矿比单一卤化物钙钛矿具有更多优点。为了研究混合卤化物钙钛矿的化学组成与结构对其性能的影响，Javier Vela教授与他的同事们通过固态核磁共振技术对其进行了探索，得到了意想不到的发现，让我们一睹为快。

美国能源部埃姆斯实验室的科学家Javier Vela 用“前景无限”和“卓越非凡”两个词形容有机铅卤化物钙钛矿最近的研究成果。

钙钛矿是具有光学活性的半导体化合物，表现出优异的电学性能、发光性能和化学性能。过去几年里，卤化铅钙钛矿由于其成本低、易加工、能量转化效率高等优点，成为最有前景的太阳能电池半导体之一。目前，由这种材料制备的太阳能电池板的能量转化效率超过了20%。

Vela致力于混合卤化物钙钛矿的研究。卤化物简单易得，来源丰富，如碘化物、溴化物和氯化物。混合卤化物钙钛矿比单一卤化物钙钛矿具有更多优点。“混合卤化物钙钛矿具有更好的热稳定性和耐湿性，因此降解更加缓慢，” Vela说道，“他们可以经过很好的调整以吸收特定波长的阳光，这使得他们可以用于串联太阳能电池和许多其他的应用，包括发光二极管。”通过使用这种化合物，科学家可以控制此类能量转换装置的颜色和效率。

Vela猜想，混合卤化物钙钛矿的优异性能可能与它的内部结构有关。Vela是爱荷华州立大学(Iowa State University，简称ISU)化学系的副教授，与埃姆斯实验室以及ISU的固态核磁共振技术(NMR)专家共事。NMR是一种分析化学技术，可以向科学家们提供混合样品的物理、化学、结构以及电学方面的信息。

“我们的根本问题在于，这种材料的化学组成与结构是如何影响其行为的。” Vela说道。

科学家们发现，在材料的制备过程中，可能会引入大量的非化学计量杂质或“掺杂物”，这在很大程度上会影响材料的化学性能、耐湿性以及传输特性。

通过结合光的吸收光谱和粉末X射线衍射，以及第一次使用探测能力优异的固态核磁共振技术，科学家们找到了上面问题的答案。

Vela说道“通过固态NRM技术，我们仅能看到这些掺杂物，以及其他半晶体杂质。”

科学家们另外也发现，在制备混合卤化物钙钛矿的过程中，固态分析远远比液态分析重要得多。埃姆斯实验室和ISU的先进光谱对研究不同合成过程如何影响材料的真正组分、形成、稳定性和光电特性发挥了至关重要的作用。

Vela说“我们发现如果在溶剂中制备混合卤化物钙钛矿，就可以得到没有半晶体杂质的纯的化合物。”

他们的发现具有多重意义，而现在他们只是刚开始掌握这些发现的内在含义。“显然，我们对这些半导体的光电特性的理解是不完整的，” Vela说，“我们正在处理一个完全不像人们所想的那样简单的化合物。”