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新型扫描探针显微镜技术揭示杂化钙钛矿薄膜的离子迁移行为
2017-09-08 16:26:57 | 【 【打印】【关闭】

  清洁可再生能源技术是实现全球可持续发展和繁荣的重要基础,太阳能电池技术是清洁可再生能源技术的重要组成。获取低成本高效率的太阳能电池是当今研究热点之一。在现有的太阳能电池技术中,原材料便宜、制造成本低的新型有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池技术表现出良好的发展前景,在较短时间内实验室规模钙钛矿太阳能电池的能量转化效率已突破22%,成为新一代光伏技术的重要发展方向之一。

  有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池有诸多问题仍有待解决,例如,电池易衰解、伏安迟滞现象。伏安特性的迟滞行为导致器件光伏性能的不可靠评估以及长期工作的不稳定性等问题。最近研究表明伏安曲线的迟滞现象是因为钙钛矿材料的离子迁移特性导致的,并严重影响电池的光电性能。这个问题激发了人们对钙钛矿材料的离子迁移机制的进一步深入研究。扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscopy)被广泛应用于研究钙钛矿的离子迁移行为。然而,不同研究小组虽使用相似的扫描探针显微镜技术,却获得不同的研究结果,这种不一致性可能源于扫描探针显微镜中常见的反馈误差和表面形貌影响。  

  近期,美国橡树岭国家实验室研究人员肖恺博士、Olga S. Ovchinnikova博士、和杨斌博士等人首次采用该实验室设计开发的新型开环、带激发(接触式)开尔文探针力显微镜(Open Loop, Band Excitation, (Contact) Kelvin Probe Force Microscopy)揭示了杂化钙钛矿薄膜的离子迁移行为。通过解耦探针信号的表面形貌和表面电势,消除了反馈误差和表面形貌的影响,可有效研究具有不同表面粗糙度的钙钛矿薄膜的离子迁移行为,亦可对其它具有复杂形貌的薄膜样品进行可靠的电子表征。

  该团队结合扫描透射电子显微镜和电子能量损失谱技术(Scanning Transmission Electron Microscopy/ Electron Energy Loss Spectroscopy)与新型开环带激发(接触式)开尔文探针力显微镜技术, 以及分子动力学模拟,发现了三碘铅甲胺(CH3NH3PbI3)钙钛矿膜晶粒与晶界离子迁移的差异。研究发现通过在晶界中引入尺寸较大的富勒烯衍分子(PC60BM)可以降低离子的迁移效果;反之,通过引入尺寸较小的氯离子进入钙钛矿薄膜晶界可获得更强的离子迁移效果。该团队证明了钙钛矿膜的离子迁移可通过引入其他外来物质进入晶界进行调控。该方法有望应用于发展高性能基于钙钛矿的光学可调谐忆阻器和突触器件。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201700749)上。

  

  来源:中国材料网 http://www.matinfo.com.cn/mat2005/shangcheng/dongtai_nr.asp?id=81648 

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