新型太赫兹显微镜成像技术将助推钙钛矿性能提升

美国能源部下属埃姆斯国家实验室的研究人员们发明了一种纳米尺度太赫兹成像显微镜，能更好对钙钛矿太阳能电池材料进行性能测试。借助这一显微镜，科学家们发现了MAPbI3型钙钛矿的新信息，有望提高这种材料的太阳能电池性能。MAPbI3材料有望取代太阳能电池中的硅，吸引了许多科研人员的兴趣。

新型探针扫描显微镜通过一个尖锐的金属尖端发出太赫兹频率的光，增强了显微镜在纳米尺度上的成像能力。研究人员Richard Kim说：“使用光波的成像技术，通常无法观察到尺度小于所使用光波的物体。太赫兹光的波长约为一毫米，尺度相对较大，然而我们所使用的金属尖端半径曲率为20纳米，相当于一个天线，使得我们能够观察到小于波长的物体。”

图1 显微镜尖端将太赫兹光照射到材料上的过程；材料上的颜色代表光散射相关数值，红色和蓝色线代表太赫兹波

研究人员预计太赫兹光的照射会使钙钛矿表现出绝缘体一样的特征，预计整个材料的光散射都会呈现低数值；然而相反地，他们观察到沿钙钛矿晶界的光散射存在显著变化。这一结果有助于研究人员进一步了解材料降解问题。

研究人员将太赫兹近场纳米导电性应用到钙钛矿后，他们发现由于单晶界水平的电荷捕获和降解，钙钛矿表现出明显的介电异质性。研究人员以20nm以下的分辨率获得了晶界附近陷阱密度的定量分布。

研究团队收集了材料中一周内的数据，并通过光散射水平的变化跟踪了降解过程。通过跟踪材料中局部纳米缺陷分布随时间的变化，研究人员确定了材料中一个从晶界开始、随时间推移在晶粒内部传播的明显降解途径。

研究人员表示，混合金属卤化物钙钛矿晶界陷阱中所填充电荷的直接可视化和定量评估，需要同时在太赫兹波段和纳米尺度上进行动态电导率成像。传统的传输和成像方法无法实现这一点。

研究人员Jigang Wang说：“我们认为，当下的研究成果是一种强大的显微成像工具，能够以可视化的方式研究甚至减缓晶界分解、缺陷陷阱和材料降解。对这些问题更好地理解，将有助于未来几年高效钙钛矿基光伏设备的开发。”

将MAPbI3型钙钛矿用于太阳能电池中的主要问题在于，钙钛矿在暴露在热和潮湿等条件下时很容易降解。借由埃姆斯国家实验室的研究结果，能助推对材料的进一步开发，以提高其稳定性。

研究人员所成功实现的单晶界、纳米太赫兹电导率成像方法，能扩展到衡量各类钙钛矿材料和器件的整体光能转换性能、吸收体及界面局部电荷转移特性中。

此项研究发表于ACS Photonics， 文章见www.pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.2c00861。