普林斯顿化学家解决佩罗夫斯基钛矿不稳定性的起源，以获得更高效的太阳能电池

（左上左）室温CS电子密度来自单晶X射线衍射测量，显示出显着的伸长率，具有嘎嘎作响的特征。（底部）CS-I距离主导CS站点CSA和辅助站点CSB的距离（右上）距离直方图。

热力学不稳定性的来源在“嘎嘎声”行为中。

普林斯顿大学化学系的CAVA集团的研究人员已经揭示了无机钙钛矿中不稳定的原因，这引起了它在创造高效太阳能电池的潜力方面引起了广泛的关注。

在普林斯顿大学进行的单晶X射线衍射和在布鲁克海汶国家实验室进行的X射线对分布函数测量，普林斯顿化学研究人员检测到卤化氯化铯铅碘化物（CSPBI3）的热力学不稳定源是无机铯原子及其“嘎嘎作响”晶体结构行为。

X射线衍射产生了这种运动的明确实验签名。

研究“通过温度依赖性结构分析”了解卤化卤化钙钛矿CSPBI3的不稳定性“，发表于杂志。

丹尼尔·斯特鲁斯，一个博士线研究员在Cava集团和铅作家上助理，铯占据了在150 k以下温度的结构内的单个网站，它将“分裂”到175 K以上的两个站点。随着其他结构以及其他结构参数，这表明其碘协调多面体内铯嘎嘎作业的证据。

此外，结构内的铯 - 碘接触数量和高度的局部八面体畸变也有助于不稳定性。

在研究中，单晶测量表征了材料的平均结构。在Brookhaven，X射线对分配功能允许研究人员确定单元电池的长度尺度上的结构的行为。（单元电池是晶体中最小的重复单元。）Straus说，这是在局部层面，高度的八面体扭曲变得明显。

CSPBI3的室温亚稳定性长期以来一直是已知因素，但之前尚未解释。

“寻找对研究社区中等的人有感兴趣的问题的解释是伟大的，我们与布鲁克海汶的合作已经过于奇妙，”罗德·威尔曼·摩尔（Che）的合成和结构专家专家教授罗伯卡-Property表征。

“卓越的”效率

目前，太阳能转换应用中的主导卤化物钙钛矿基于甲基铅碘化物，一种有机 - 无机杂化材料，该材料已被掺入太阳能电池中，经过认证的效率为25.2％;这竞争于商业硅太阳能电池的效率。虽然这种“显着”效率推动兴趣，但甲基铵铅碘化物遭受了缺乏有机阳离子挥发性的稳定性问题。为了纠正这个问题，研究人员试图取代无机铯的有机阳离子，这显着挥发性较低。

然而，与甲基磷酸铅碘化物不同，铅碘化铯的钙钛矿相在室温下含量。

“如果你想用未改性的铯铅制作太阳能电池，它将非常难以解决并稳定这种材料，”斯特鲁斯说。“你必须找到一种方法来稳定它，这围绕这种铯原子有点太小了。有几种人们试图化学修改CSPBI3的方式，他们工作好。但是只是试图使太阳能电池从这个散装材料中制作太阳能而不表达幻想的东西。“

本文的详细结构信息表明了稳定CSPBI3的钙钛矿相的方法，从而提高了卤化物钙酸盐太阳能电池的稳定性。本文还揭示了公差因子模型在预测卤化物钙钛矿稳定性方面的局限性。这些模型中的大多数目前预测CSPBI3应该是稳定的。

在Brookhaven Lab.

一种称为对分布函数测量的技术，描述了原子之间的距离分布，帮助普林斯顿研究人员进一步了解不稳定。使用Brookhaven的分布函数（PDF）梁线在国家同步光源II中，铅束线科学家Milinda Abeykoon与热力学上不稳定的CSPBI3样本一起使用，他从Cava实验室收到了几个密封的玻璃毛细管内，里面装满了干冰的容器内。

测量这些样品是挑战的，因为Abeykoon说，因为它们会迅速分解一旦从干冰中取出。

“由于PDF光束线上可用的极明亮的X射线梁和大面积探测器，我能够在劣化之前在300 k以下的多个温度下测量样品，”Abeykoon说。“当X射线束反弹出样品时，它产生材料的原子布置的图案特征。这使我们不仅可以看到原子尺度发生的事情，还可以在一次测量中普遍上的材料如何表现。“

Cava赞成他与Brookhaven的45年关系，这些关系开始于他在那里完成了他的博士学位。论文在20世纪70年代。“我们与布鲁克海文有几个伟大的合作，”他说。

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参考：“通过温度依赖性结构分析了解卤化卤化物钙钛矿CSPBI3的不稳定性”，丹尼尔B.斯特鲁斯，舒族，AM Milinda Abeykoon和Robert J.Chave，7月7日2020年7月7日，先进的材料.DOI：DO：
10.1002 / ADMA.202001069.

该研究中衍射数据的合成和分析衍射数据是由Gordon和Betty Moore基金会的支持，作为EPIQs倡议的一部分，GBMF-4412奖。单晶X射线衍射数据收集得到支持，作为Quantum物质研究所的一部分，该研究所是由美国能源部（DOE）科学厅资助的能源前沿研究中心，基本能源科学根据DE-SC0019331的基本能源科学。这项研究的国家同步辐射光源II所使用的资源，一个美国能源部科学办公室的用户工具的科学合同号DE-SC0012704能源部办公室的布鲁克海文国家实验室工作。