一部“分子電影”揭示了鈣鈦礦太陽能電池如何響應光照。這項工作可能有助於解釋為什麼這些結構如此擅長將光轉化為電能。
矽太陽能裝置仍然是光伏市場的主導力量，約佔 2016 年裝置產量的 94%。儘管其他電池未能超越矽的效能，但鈣鈦礦提供了一種有希望的替代方案。
自 2009 年發現以來，這種新興裝置的效率持續攀升，在不到兩年的時間內從 14% 提高到 20%。然而，與矽對應物不同，人們對金屬-有機-鹵化物結構如何將光轉化為電能知之甚少。
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斯坦福大學的 亞倫·林登伯格 解釋說：“矽太陽能電池工作原理背後的物理和化學原理已得到充分理解。”他的團隊進行了這項研究。“相比之下，混合鈣鈦礦獨特功能的基本方面尚不清楚。”
即便如此，物理學家也瞭解總體過程。就像矽器件一樣，鈣鈦礦薄膜（通常是甲基銨碘化鉛 (MAPbI3)）夾在兩個電荷提取層之間。當暴露在光線下時，鈣鈦礦晶格中產生的空穴和電子會向外層移動，從而產生電流。但沒有人理解晶格如何響應光，以及最終，為什麼它如此高效地捕獲光。
更困難的是，所有這一切都發生在飛秒 (10-15 秒) 內。“這就像試圖瞭解一臺複雜的機器是如何工作的，卻看不到底層的零件，因為它們太小或太快了，”林登伯格感嘆道。
鈣鈦礦薄膜
林登伯格的團隊決定在 斯坦福直線加速器中心 將這一過程置於聚光燈下，那裡是世界上最快的“電子相機”之一的所在地。該小組首先向 40 奈米厚的 MAPbI3 薄膜發射 40 飛秒的雷射脈衝，以激發鈣鈦礦。在此之後，他們向該結構發射電子束以獲得衍射圖案。
透過延遲光束之間的時間，該小組可以收集一系列電子衍射快照，並確定鈣鈦礦晶格在光照下如何變形。“我們的測量表明，鈣鈦礦結構正在以一種相當不尋常且出乎意料的方式變形，”林登伯格評論道。
鈣鈦礦的結構與鈦酸鈣相似，鉛原子位於碘八面體的中心。甲基銨原子佔據這些八面體之間的空間。在光照後 10 皮秒（10-12 秒）內，碘原子圍繞中心鉛原子移動，同時與它們的距離保持恆定。“人們可以將碘原子想象成在每個鉛原子周圍的球體表面移動，”林登伯格說。
這些原子旋轉如何導致電荷在薄膜中自由流動並解釋鈣鈦礦的高效率仍有待觀察。儘管如此，林登伯格希望電子相機將繼續提供“對這些材料如何工作的新的、基本的理解”。
林登伯格表示，這項技術還可以揭示鈣鈦礦電池的穩定性，這將最終決定該行業是否採用該裝置。這是一個 該技術的已知問題，這個問題在近年來在某種程度上阻礙了其商業化之路。
瑞典隆德大學和德國亥姆霍茲柏林中心的 伊娃·翁格 是一位光伏研究員，她說該相機提供了一種探測這些材料的獨特方法。“瞭解光伏材料的特定光-物質相互作用至關重要，”翁格說。“這些實驗結果可以讓人一窺金屬鹵化物鈣鈦礦在吸收光子後複雜的動態響應。”