能源部橡树岭国家实验室的研究人员通过了解卤素原子在阳光吸收晶体合成过程中的竞争，找到了进一步提高太阳能电池效率的潜在途径。
将太阳光直接转化为电能的光伏电池在世界可再生能源组合中变得越来越突出。太阳能研究的一个有希望的领域是钙钛矿，这种材料可以比典型的硅基半导体更有效，更便宜地将太阳光转化为电能。
然而，基于钙钛矿的太阳能电池受到不可靠的耐久性，低效率和未解决的问题的阻碍。
“有机金属卤化物钙钛矿半导体具有较高的承载能力和效率，可与硅基太阳能电池相媲美。这些材料易于生长且价格便宜，但已知会降解，”南洋材料科学中心ORNL博士后研究员Bin Yang说。 。
发表在美国化学学会期刊上的一项新研究表明，在存在反应性碘离子的情况下，带负电的溴和氯被排除在最终的钙钛矿晶体结构之外 - 就像没有让团队参加体育课一样。
“为了迈出第一步，最大限度地利用有机金属卤化物钙钛矿制造太阳能电池技术，我们需要知道如何生长高质量的光吸收材料并建立最佳的薄膜生长过程，”该研究的主要作者杨说。“钙钛矿油墨的简单印刷或喷涂使太阳能组件的成本更低。”
Yang和团队使用高功率成像技术追踪有机金属卤化物钙钛矿的动力学活动。
卤素离子，在生长结构中争夺一个位置，影响电荷通过晶体的运动，并随后影响太阳光转换为电能的效率。
“在卤化钙钛矿中发现的动力学活动对推进高效光电材料和器件提出了重大挑战，”研究合着者和ORNL员工科学家Kai Xiao说。
该团队首先使用X射线衍射实时查看结晶阶段，立即监测混合卤化物蒸气和薄铅碘化物薄膜之间的化学反应。
然后，ORNL研究人员使用飞行时间二次离子质谱法从钙钛矿中提取化学，分子和元素数据进行非原位分析。质谱仪的离子束提供了有关晶体表面分子活动信息的快照，并确定了氯在钙钛矿薄膜晶界或裂缝中的最终分布。
成像技术的组合使ORNL团队能够跟踪太阳能材料中卤素竞争的结果。
研究人员发现，虽然溴，氯和碘离子促进了正在发展的有机金属钙钛矿结构中的生长，但只有碘才能在最终的晶体中产生斑点。然而，虽然它们被排除在最终结构之外，但这些分子构成了“团队士气”，因为它们有助于促进整体晶体生长。
肖说，测量结果为钙钛矿结晶动力学提供了一些见解，可以改善高效太阳能电池材料的合成和加工。
“识别混合钙钛矿中卤化物竞争的化学现象将有助于设计大颗粒钙钛矿薄膜，以获得更好，更便宜的太阳能装置，”肖说。
该研究的共同作者是ORNL的Jong Keum，Olga Ovchinnikova，Alex Belianinov，毛毛华，Ilia Ivanov，Christopher Rouleau和David Geohegan，以及华东师范大学的Shiyou Chen。
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