斯坦福大学：用x射线照射钙钛矿以获得更好的太阳能电池

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钙钛矿是以在俄罗斯乌拉尔山脉发现的一种矿物命名的，作为一种未来可能会被应用于电子和能源设备的材料，它已经成为人们关注的焦点。

由钙钛矿制成的半导体薄膜具有柔韧、重量轻的特点。因其价格便宜且储量丰富，常被用来制造太阳能电池。虽然它们尚未商业化(障碍包括使它们更稳定和耐用)，但它们可能在未来十年或二十年内改变太阳能产业。

对于科学家来说，钙钛矿也带来了一个有趣的难题：从制造钙钛矿的基本原料：铅、碘化物和甲基铵的变化开始—最终得到的是同样的基本原料。然而，在该过程的各个阶段对化学物质进行调整可以使钙钛矿具有更理想的太阳能电池质量。

对于斯坦福同步辐射光源(SSRL)和斯坦福大学的研究人员来说，钙钛矿的神秘和潜力在实验中汇聚在一起。在实验中，极其明亮的X射线被用来研究材料形成时的化学性质。 SLAC国家加速器实验室的DOE科学办公室用户设施提供了多种方法来解决问题并发现有关这种有用材料的新见解。

我们询问了SSRL员工科学家Christopher Tassone和Kevin Stone，斯坦福化学院博士生Aryeh Gold-Parker和SSRL材料科学部门负责人Michael Toney，他们最近发现了钙钛矿化学的信息以及他们希望钙钛矿将会发挥作用的地方。

钙钛矿是如何制造的，您对此过程有何兴趣？

Kevin Stone：首先将一些基本成分溶解在溶剂中。然后将该溶液沉积并干燥成薄膜。接下来通过诸如退火的处理将膜转变成最终的钙钛矿，即将其加热到一定温度，然后再冷却。我们感兴趣的是整个过程的化学过程以及它在每个阶段的演变过程。我们的想法是，如果你能理解我们所说的钙钛矿的“形成化学”，你就可以创造出具有所需特性的材料。

Gold-Parker：例如，有几十种不同的方法来沉积钙钛矿薄膜。这些方法导致了薄膜厚度、质地、晶粒尺寸和结晶度具有差异。在实验室中，创造具有独特特征的钙钛矿主要是通过反复试验。工程师们对工艺进行了小的改动，以优化他们想得到的特殊性能，无论是太阳能电池电压还是性能。试验和错误可以奏效，但效率不高。

Christopher Tassone：我的团队对如何以非常低的成本生产大量的太阳能电池板非常感兴趣，目的是满足太阳能和清洁能源日益增长的需求。传统的硅太阳能电池生产速度不够快。我们相信，如果我们能够掌握在生产钙钛矿太阳能电池的过程中发生的化学变化，我们最终可以设计出更好的工艺来满足工业的需要。

你最近的研究是关于什么?

Gold-Parker：我们的研究建立在牛津大学、康奈尔大学和斯坦福大学的其他研究小组的研究基础上，他们的研究表明，在处理过程中使用氯可以产生高质量的钙钛矿薄膜，其性能令人印象深刻。溶液沉积后，有一个中间的步骤，结晶膜形成 (我们称其为前驱体)，然后是一种叫做氯化甲基铵(MACI)的气态氯盐，在它转化为钙钛矿的过程中不断地离开薄膜。几年前，我、Toney和同事进行的一项SSRL研究表明，最终产品中几乎没有氯。即使你开始的时候有很多氯，但绝大多数都在过程中失去了。

Stone：在这项最新的研究中，我们想知道:氯去了哪里?它的作用是什么?为什么是氯呢?前驱体由什么组成，它是如何影响这个转变的?

你发现了什么?

Stone：我们能够弄清楚晶体前驱体的结构，原子是如何组合在一起的，大概有多少氯。当我们在退火阶段加热时，我们看到晶体前驱体在开始转化为钙钛矿之前会持续相当长的一段时间。

Gold-Parker：我们还证明了钙钛矿的最终转化是受MACl逐渐蒸发的限制的，这种缓慢的转化可能会形成更高质量的钙钛矿材料。

Toney：还有更广泛的影响。理论计算可以很准确地告诉你材料的性能。但是他们几乎没有提供关于如何合成它的指导。这个问题在过去的几十年里引起了科学界的兴趣，在过去的5年里更甚，这就是所谓的综合科学：探索你如何真正地制造东西。物质经过的过程是什么，途径是什么?这项研究是一个很好的例子，能够解开这个合成过程，从而深入了解我们如何重新设计它。

你是怎么研究的？

Tassone：我们使用了两种技术的不同版本，分别是x射线散射和x射线光谱学。用x射线散射法研究结构：它告诉你原子在晶体材料中的位置。x射线光谱学是一种补充技术。它告诉你薄膜的化学性质，有多少不同的化学元素存在以及它们是如何结合的。

Gold-Parker：这些方法使我们能够探测到晶体结构的变化，以及在整个转化过程中氯的含量和化学状态。而且非常重要的是，我们在原位使用了这些技术—或者这些变化实际发生的时候。 SSRL拥有世界一流的设计和实施这些原位实验的能力，可以监控实际过程，而不仅仅是起点和终点，非常强大。

Tassone：这个结果和我们的方法之所以强大，是因为我们使用散射数据的解释来解释光谱数据，反之亦然。如果不把这些东西放在一起，我们就无法解决这个问题。在这篇论文中，我们为任何想要研究制造这种材料或其他材料的过程的人提供了一条清晰的途径。这是钙钛矿研究的重要一步，也是Mike所描述的更广泛的合成科学领域的重要一步。

下一步计划？

Stone：我想研究一下在溶液变干之前它会发生什么变化，在这个过程的早期阶段。我还想扩展我们的方法，包括其他钙钛矿材料。

Toney：在这个具体的例子中，另一点是关于薄膜中氯的作用。它充当调解者或调控者，并减慢转换。调控的一般概念是一种化合物，它的作用是有目的的，但不会最终出现在你的最终材料中，它是如何在这个过程或其他过程或材料中起作用的呢？硅已经被研究了至少50年，钙钛矿研究了5年，所以我们还有很多工作要做。

Tassone：我有两点要讲。一是我们如何开发大规模运作的过程让每个人都能享受的起太阳能，并真正对我们的能源景观产生重大影响？另一个问题是，基于钙钛矿是近十年或二十年来最令人兴奋的半导体发展的事实，我们该如何将这种材料的独特性能应用到其他领域？