基于新型显微镜，关于一种有前途的太阳能电池材料的新发现

图：将材料暴露在太赫兹光下的显微镜尖端。材料上的颜色代表光散射数据，红色和蓝色线代表太赫兹波。来源：U. S. Department of Energy Ames National Lab

       科学家开发了一种新的表征工具，使他们能够对太阳能电池的可能替代材料有独特的研究。在实验室高级科学家Jigang Wang的领导下，该团队开发了一种显微镜，利用太赫兹波收集材料样品的数据。然后，研究小组用显微镜探索了碘化甲基铵（MAPbI3）钙钛矿，一种可能取代太阳能电池中硅的材料。

       Richard Kim解释了使新型扫描探针显微镜独一无二的两个特征。首先，显微镜使用太赫兹范围的电磁频率来收集材料的数据。这个范围远低于可见光谱，介于红外和微波频率之间。其次，太赫兹光通过锋利的金属尖端照射，增强了显微镜对纳米尺度的能力。

       Kim解释道：“通常，如果你有光波，你看不到比你使用的光的波长更小的东西。而对于这种太赫兹光，波长大约是一毫米，所以非常大。”。“但在这里，我们使用了一个尖锐的金属尖端，其顶点被锐化为20纳米半径的曲率，这就像我们的天线，可以看到比我们使用的波长更小的东西。”

       利用这种新型显微镜，研究小组研究了钙钛矿材料MAPbI3，该材料最近成为科学家们感兴趣的太阳能电池中硅的替代品。钙钛矿是一种特殊类型的半导体，当其暴露于可见光时会传输电荷。在太阳能电池中使用MAPbI3的主要挑战是，当暴露于高温和湿气等元素时，它很容易降解。

       研究小组认为MAPbI3在太赫兹光下会表现得像绝缘体。由于在样品上收集的数据是当材料暴露于太赫兹波时光散射的读数，因此他们预计整个材料中的光散射水平将保持一致。然而，他们发现，沿着颗粒之间的边界，光散射有很多变化。

Kim解释说，像金属这样的导电材料会有很高的光散射水平，而像绝缘体这样的导电性较差的材料则不会有这么多。MAPbI3中沿晶界检测到的光散射的变化揭示了材料的降解问题。

       在一周的时间里，研究小组继续收集有关材料的数据，收集的数据显示了光散射水平的变化导致的降解过程。该信息可用于将来改进和操纵材质。

      “我们相信，目前的研究展示了一种强大的显微镜工具，可以可视化、理解和潜在地缓解晶界退化、缺陷陷阱和材料退化，”Wang说。“对这些问题的更好理解可能使我们能够在未来多年内开发高效的钙钛矿基光伏器件。”

[1] Richard H. J. Kim et al, Terahertz Nanoimaging of Perovskite Solar Cell Materials, ACS Photonics (2022). DOI: 10.1021/acsphotonics.2c00861