為了設計更高效的太陽能電池和發(fā)光二極管(LED)，一組工程師分析了半導體材料中的不同類型的缺陷，使這些設備能夠確定它們是否以及如何影響性能。

Rohan Mishra是圣路易斯華盛頓大學McKelvey工程學院機械工程與材料科學助理教授，領導了一支廣泛的研究團隊 - 包括華盛頓大學，田納西州橡樹嶺國家實驗室和密蘇里大學。 -Columbia--研究了原子尺度上常見的平面缺陷的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，其尺寸僅為十分之幾納米。

Mishra的團隊研究了鹵化鉛鹵化物，這是一種新型高性能半導體，正在探索下一代低成本太陽能電池，以便將太陽能轉(zhuǎn)化為高效率的電能。

制造這些材料時，可能會出現(xiàn)不同晶體相遇的缺陷，稱為晶界。在傳統(tǒng)半導體中，這些缺陷會降低其導電率和太陽能 - 電轉(zhuǎn)換效率; 然而，在鹵化鉛鹵化物中，有關于晶界活性的不同實驗報告。在某些情況下，它們被發(fā)現(xiàn)是有害的，而在其他情況下，它們要么對性能沒有影響，要么甚至是有益的。但是，到目前為止，沒有人理解為什么。Mishra的團隊在12月3日的Advanced Materials中解釋了原因。

使用原子分辨率電子顯微鏡，Rohan Mishra實驗室的研究生Arashdeep Singh Thind研究了晶體中的晶界(見箭頭)。

“原子級的微小缺陷對太陽能電池有很大的影響，”米什拉說。“如果這些晶界缺少一個特定的原子，那么你的細胞將無法正常工作。”

在橡樹嶺國家實驗室，華盛頓大學材料科學與工程學院的博士生Arashdeep Singh Thind在米什拉實驗室工作，用最強大的電子顯微鏡之一進行成像，觀察晶界的原子結(jié)構(gòu)。羅光福是米斯拉實驗室的前研究科學家，他是中國深圳南方科技大學的助理教授，然后使用量子力學計算對一些最快的超級計算機進行了計算，以了解這些晶界的電子特性。

在硅半導體中，晶界會造成嚴重破壞，但在鹵化鉛鹵化物中，它們可能不會。這取決于鹵離子的濃度，這是性能的關鍵因素。

“如果你在鹵化物貧乏的環(huán)境中生長晶體，那么晶界對于性能來說是非常糟糕的，”米什拉說。“但是，如果你能夠在富含鹵化物的大氣中生長它們或?qū)⑺鼈兺嘶餥加熱并重新組合]，那么晶界就會很好。”

Thind還研究了另一種稱為Ruddlesden-Popper斷層的平面斷層，其中晶體的平面堆疊不正確; 例如，不是排成整齊的行，而是通過原子列將其中一行稍微向左或向右移動。再次，通過使用量子力學計算，羅和米什拉發(fā)現(xiàn)，通過具有大密度的這種堆垛層錯，有可能從某些鹵化鉛鈣石的大而穩(wěn)定的納米顆粒中獲得明亮的光學發(fā)射，這可能潛在地鋪設LED壽命更長的方法。

“實驗主義者面臨的挑戰(zhàn)是在周期性距離上設計堆垛層錯，”米什拉說。

在10月16日發(fā)表于ACS Applied Nano Materials的相關研究中，Mishra的團隊與密蘇里大學哥倫比亞大學的研究人員合作，他們發(fā)現(xiàn)了一種新的化學途徑，用于促進具有高密度堆垛層錯的鹵化鉛 - 鈣鈦礦的生長。通過去除表面配體，與納米晶體的表面原子結(jié)合的離子或分子，較小的鹵化鉛鈣鈦礦納米晶體在48小時內(nèi)熔合并生長約8納米至60納米。

由于在熔合過程中形成的堆垛層錯，這些新的納米晶體具有顯著增強的光學性質(zhì)，Thind使用原子分辨率掃描透射電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)。此外，納米晶體在暴露于光時更穩(wěn)定，具有更尖銳的發(fā)射線和更高的量子產(chǎn)率。由于存在這些缺陷，預期新的納米晶體將改善鹵化鉛鈣鈦礦納米晶體的發(fā)光性能，從而產(chǎn)生更好的LED和其他光電器件。

這一新信息為Mishra和Thind等工程師提供了更多信息，以尋找太陽能電池中鉛的替代品，這些產(chǎn)品不僅含有有毒鉛，而且在光，濕氣和熱量方面也不穩(wěn)定，并在幾天內(nèi)發(fā)生故障，導致地下水。米什拉正在研究一種無毒元素 - 鉍，周期表中的鉛的鄰居 - 是否是鈣鈦礦中鉛的更安全和同等有效的替代品。