2019-02-20 00:26:01
当缺陷可能是有益的时候

为了设计更高效的太阳能电池和发光二极管(LED),一组工程师分析了半导体材料中的不同类型的缺陷,使这些设备能够确定它们是否以及如何影响性能。

华盛顿大学圣路易斯分校McKelvey工程学院机械工程与材料科学助理教授Rohan Mishra领导了一个广泛的研究团队 - 包括华盛顿大学,田纳西州橡树岭国家实验室和密苏里大学 - 哥伦比亚 - 研究了原子尺度上常见的平面缺陷的结构和性质,其仅跨越十分之几纳米。

Mishra的团队研究了卤化铅卤化物,这是一种新型高性能半导体,正在探索下一代低成本太阳能电池,以便将太阳能转化为高效率的电能。

制造这些材料时,可能会出现不同晶体相遇的缺陷,称为晶界。在传统半导体中,这些缺陷会降低其导电率和太阳能 - 电转换效率;然而,在卤化铅卤化物中,有关于晶界活性的不同实验报告。在某些情况下,它们被发现是有害的,而在其他情况下,它们要么对性能没有影响,要么甚至是有益的。但是,到目前为止,没有人理解为什么。 Mishra的团队在12月3日的Advanced Materials中解释了原因。

“原子级的微小缺陷对太阳能电池有很大的影响,”米什拉说。 “如果这些晶界缺少一个特定的原子,那么你的细胞将无法正常工作。”

在橡树岭国家实验室,华盛顿大学材料科学与工程学院的博士生Arashdeep Singh Thind在米什拉实验室工作,用最强大的电子显微镜之一进行成像,观察晶界的原子结构。罗光福是米斯拉实验室的前研究科学家,他是中国深圳南方科技大学的助理教授,然后使用量子力学计算对一些最快的超级计算机进行了计算,以了解这些晶界的电子特性。

在硅半导体中,晶界会造成严重破坏,但在卤化铅卤化物中,它们可能不会。这取决于卤离子的浓度,这是性能的关键因素。

“如果你在卤化物贫乏的环境中生长晶体,那么晶界对于性能来说是非常糟糕的,”米什拉说。 “但是,如果你能够在富含卤化物的大气中生长它们或将它们退火[加热并重新组合],那么晶界就会很好。”

Thind还研究了另一种称为Ruddlesden-Popper断层的平面断层,其中晶体的平面堆叠不正确;例如,不是排成整齐的行,而是通过原子列将其中一行稍微向左或向右移动。再次,通过使用量子力学计算,罗和米什拉发现,通过具有大密度的这种堆垛层错,有可能从某些卤化铅钙石的大而稳定的纳米颗粒中获得明亮的光学发射,这可能潜在地铺设LED寿命更长的方法。

“实验主义者面临的挑战是在周期性距离上设计堆垛层错,”米什拉说。

在10月16日发表于ACS Applied Nano Materials的相关研究中,Mishra的团队与密苏里大学哥伦比亚大学的研究人员合作,他们发现了一种新的化学途径,用于促进具有高密度堆垛层错的卤化铅 - 钙钛矿的生长。通过去除表面配体,与纳米晶体的表面原子结合的离子或分子,较小的卤化铅钙钛矿纳米晶体在48小时内熔合并生长约8纳米至60纳米。

由于在熔合过程中形成的堆垛层错,这些新的纳米晶体具有显着增强的光学性质,Thind使用原子分辨率扫描透射电子显微镜发现。此外,纳米晶体在暴露于光时更稳定,具有更尖锐的发射线和更高的量子产率。由于存在这些缺陷,预期新的纳米晶体将改善卤化铅钙钛矿纳米晶体的发光性能,从而产生更好的LED和其他光电器件。

这一新信息为Mishra和Thind等工程师提供了更多信息,以寻找太阳能电池中铅的替代品,这些产品不仅含有有毒铅,而且在光,湿气和热量方面也不稳定,并在几天内发生故障,导致地下水。米什拉正在研究一种无毒元素 - 铋 - 铅在周期表中的邻居 - 是否是钙钛矿中铅的更安全和同等有效的替代品。

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