利用X射线束和激光，研究人员研究了一种新的有希望的太阳能电池材料，称为混合钙钛矿，在运行过程中表现为纳米级。他们的实验表明，当施加电压时，离子在材料内迁移，产生的区域不再有效地将光转换为电能。

“离子迁移会损害光吸收材料的性能。限制它可能是提高这些太阳能电池质量的关键，”纳米工程教授，加州大学圣地亚哥分校可持续能源和能源中心成员DavidFenning说。

由Fenning领导的团队包括来自荷兰AMOLF研究所和阿贡国家实验室的研究人员。研究人员在AdvancedMaterials上发表了他们的发现。

混合钙钛矿是由无机和有机离子的混合物制成的结晶材料。它们是用于制造下一代太阳能电池的有前景的材料，因为它们制造成本低并且在将光转换成电能方面非常有效。

然而，混合钙钛矿不是很稳定，这使它们难以研究。通常用于研究太阳能电池的显微技术通常最终会破坏混合钙钛矿，或者不能在其表面之外成像。

现在，加州大学圣地亚哥分校领导的团队已经证明，通过使用一种称为纳米探针X射线荧光的技术，他们可以深入研究混合钙钛矿材料，而不会破坏它们。“这是一个了解这些材料的新窗口，看看到底出了什么问题，”芬宁说。

研究人员研究了一种称为甲基溴化铅的杂化钙钛矿，它含有带负电荷的溴离子。与其他混合钙钛矿一样，其晶体结构包含许多空位或缺失的原子，当施加电压时，这些空位被怀疑允许离子在材料内容易地移动。

研究人员首先对晶体进行纳米探针X射线荧光测量，以创建材料内原子的高分辨率图。这些图显示，当施加电压时，溴离子从带负电的区域迁移到带正电的区域。

接下来，研究人员在晶体上照射激光，测量一种称为光致发光的特性-这种材料在被激光激发时发光的能力-在晶体的不同区域。良好的太阳能电池材料发光非常好，因此光致发光越高，太阳能电池的效率就越高。溴浓度较高的区域的光致发光比消耗溴离子的区域高出180%。

“我们观察溴离子在几分钟内迁移，并看到由此产生的富含溴的区域有可能成为更好的太阳能电池，而在贫穷地区的性能会降低，”芬宁说。芬宁和他的团队正在探索限制甲基溴化铅和其他杂化钙钛矿中溴迁移的方法。研究人员表示，一种可能的选择是在不同条件下生长混合钙钛矿晶体，以最大限度地减少空位数量并限制晶体结构中的离子迁移。

这项工作部分得到了加州大学碳中和倡议，加州大学圣地亚哥分校启动基金，海尔曼基金会，欧盟第七框架计划欧洲研究委员会和美国能源部科学基础能源科学办公室的支持。(奖项编号DE-SC0012118)。这项工作使用了由加州圣地亚哥分校的Triton共享计算集群(TSCC)，国家能源研究科学计算机中心(NERSC)和国家科学基金会支持的极端科学和工程发现环境(XSEDE)提供的计算资源(授权号。ACI-1053575)。X射线测量在美国能源部科学用户设施AdvancedPhotonSource进行，该设施由阿贡国家实验室为DOE科学办公室运营