劍橋大學的研究人員使用了一套相關的多模態顯微鏡方法，第一次直觀地看到了為什麼鈣鈦礦材料似乎對其結構中的缺陷如此“容忍”。他們的發現於11月22日發表在《自然-納米技術》上。
生產太陽能電池板最常用的材料是晶體硅，但要實現高效的能量轉換，需要一個耗能和耗時的生產過程來創造所需的高度有序的結構。在過去的十年中，鈣鈦礦材料作為有前途的替代品出現了。
用於製造它們的鉛鹽比晶體硅豐富得多，生產成本也低得多，而且它們可以在液體墨水中製備，只需打印就可以生產出材料的薄膜。它們還顯示出其他光電應用的巨大潛力，如高能效的發光二極管（LED）和X射線探測器。
鈣鈦礦的令人印象深刻的性能是令人驚訝的。一個優秀的半導體的典型模型是一個非常有序的結構，但不同的化學元素在包晶石中的組合陣列創造了一個更加“混亂”的景觀。
這種異質性造成了材料中的缺陷，導致了納米級的”陷阱”，從而降低了設備的光電性能。但是，儘管存在這些缺陷，鈣鈦礦材料仍然顯示出與其硅替代品相當的效率水平。
事實上，該小組的早期研究表明，無序結構實際上可以提高鈣鈦礦光電子學的性能，他們的最新工作試圖解釋原因。 結合一系列新的顯微鏡技術，該小組展示了這些材料的納米級化學、結構和光電景觀的完整畫面，揭示了這些競爭因素之間複雜的相互作用，並最終顯示出哪種因素處於領先地位。
“我們看到的是，我們有兩種形式的無序在平行發生，”博士生Kyle Frohna解釋說，“與降低性能的缺陷有關的電子無序，然後是似乎能改善性能的空間化學無序。”
“我們發現，化學無序–在這種情況下的’好’無序–通過將電荷載流子從這些陷阱中漏出，減輕了缺陷帶來的’壞’無序，否則它們可能會被捲入。”
通過與劍橋大學卡文迪許實驗室、位於迪德科特的鑽石光源同步輻射設施和日本沖繩科學技術研究所合作，研究人員使用了幾種不同的顯微鏡技術來觀察過氧化物薄膜中的相同區域。然後，他們可以比較所有這些方法的結果，以展示這些有前途的新材料在納米級發生了什麼的全貌。
“我們的想法是做一個叫做多模態顯微鏡的東西，這是一種非常花哨的說法，即我們用多個不同的顯微鏡觀察樣品的同一區域，並基本上嘗試將我們從一個顯微鏡中提取的特性與我們從另一個顯微鏡中提取的特性聯繫起來，”Frohna說。“這些實驗是耗時和資源密集型的，但就你能得到的信息而言，你得到的回報是非常好的。”
這些發現將使該小組和該領域的其他人能夠進一步完善鈣鈦礦太陽能電池的製造方式，以實現效率最大化。
“長期以來，人們一直在拋出缺陷容忍這個詞，但這是第一次有人正確地將其可視化，以掌握這些材料中缺陷容忍的實際含義。”
“知道這兩種相互競爭的無序是相互作用的，我們可以考慮如何有效地調節其中一種，以最有利的方式減輕另一種的影響。”
“就實驗方法的新穎性而言，我們遵循了相關的多模式顯微鏡策略，但不僅如此，每一種獨立的技術本身都是最前沿的，”劍橋大學化學工程和生物技術系的皇家工程院研究員米格爾-安納亞說道。
“我們已經可視化並給出了為什麼我們可以稱這些材料為缺陷容忍性的理由。這種方法使得在納米尺度上優化它們的新途徑成為可能，最終為目標應用提供更好的性能。現在，我們可以看看其他類型的鈣鈦礦它們不僅適合於太陽能電池，也適合於LED或探測器，並了解它們的工作原理。”
“更重要的是，我們在這項工作中開發的這套採集工具可以擴展到研究任何其他光電材料，這可能是更廣泛的材料科學界非常感興趣的事情。”
劍橋大學化學工程和生物技術系能源專業助理教授Sam Stranks說：“通過這些可視化，我們現在更好地了解這些迷人的半導體中的納米級景觀–好的、壞的和丑的。”
“這些結果解釋了該領域對這些材料的經驗性優化是如何推動這些混合成分的鈣鈦礦達到如此高的性能。但它也揭示了可能具有類似屬性的新半導體的設計藍圖–在那裡，無序可以被利用來定製性能。”