一部“分子电影”揭示了钙钛矿太阳能电池如何响应光照。这项工作可能有助于解释为什么这些结构如此擅长将光转化为电能。
硅太阳能设备仍然是光伏市场的主导力量，约占 2016 年设备产量的 94%。尽管其他电池未能超越硅的性能，但钙钛矿提供了一种有希望的替代方案。
自 2009 年发现以来，这种新兴设备的效率持续攀升，在不到两年的时间内从 14% 提高到 20%。然而，与硅对应物不同，人们对金属-有机-卤化物结构如何将光转化为电能知之甚少。
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斯坦福大学的 亚伦·林登伯格 解释说：“硅太阳能电池工作原理背后的物理和化学原理已得到充分理解。”他的团队进行了这项研究。“相比之下，混合钙钛矿独特功能的基本方面尚不清楚。”
即便如此，物理学家也了解总体过程。就像硅器件一样，钙钛矿薄膜（通常是甲基铵碘化铅 (MAPbI3)）夹在两个电荷提取层之间。当暴露在光线下时，钙钛矿晶格中产生的空穴和电子会向外层移动，从而产生电流。但没有人理解晶格如何响应光，以及最终，为什么它如此高效地捕获光。
更困难的是，所有这一切都发生在飞秒 (10-15 秒) 内。“这就像试图了解一台复杂的机器是如何工作的，却看不到底层的零件，因为它们太小或太快了，”林登伯格感叹道。
钙钛矿薄膜
林登伯格的团队决定在 斯坦福直线加速器中心 将这一过程置于聚光灯下，那里是世界上最快的“电子相机”之一的所在地。该小组首先向 40 纳米厚的 MAPbI3 薄膜发射 40 飞秒的激光脉冲，以激发钙钛矿。在此之后，他们向该结构发射电子束以获得衍射图案。
通过延迟光束之间的时间，该小组可以收集一系列电子衍射快照，并确定钙钛矿晶格在光照下如何变形。“我们的测量表明，钙钛矿结构正在以一种相当不寻常且出乎意料的方式变形，”林登伯格评论道。
钙钛矿的结构与钛酸钙相似，铅原子位于碘八面体的中心。甲基铵原子占据这些八面体之间的空间。在光照后 10 皮秒（10-12 秒）内，碘原子围绕中心铅原子移动，同时与它们的距离保持恒定。“人们可以将碘原子想象成在每个铅原子周围的球体表面移动，”林登伯格说。
这些原子旋转如何导致电荷在薄膜中自由流动并解释钙钛矿的高效率仍有待观察。尽管如此，林登伯格希望电子相机将继续提供“对这些材料如何工作的新的、基本的理解”。
林登伯格表示，这项技术还可以揭示钙钛矿电池的稳定性，这将最终决定该行业是否采用该设备。这是一个 该技术的已知问题，这个问题在近年来在某种程度上阻碍了其商业化之路。
瑞典隆德大学和德国亥姆霍兹柏林中心的 伊娃·翁格 是一位光伏研究员，她说该相机提供了一种探测这些材料的独特方法。“了解光伏材料的特定光-物质相互作用至关重要，”翁格说。“这些实验结果可以让人一窥金属卤化物钙钛矿在吸收光子后复杂的动态响应。”