Используя микроскоп E02 ePSIC (Центр электронной физики и визуализации) и микроскоп ARM200 на факультете материалов Оксфордского университета, команда разработала новую технику, которая позволила им получать изображения тонких пленок гибридных фотоактивных перовскитов с атомным разрешением. Это дало им беспрецедентное понимание их атомарного строения и предоставило информацию, невидимую для любой другой техники.
Д-р Матиас Уллер Ротманн из физического факультета Оксфордского университета объясняет; "Это последний шаг на пути к получению изображения и, таким образом, к пониманию этих важных материалов солнечных элементов на самом фундаментальном, атомном уровне.
Это важное открытие, которое раньше не было сделано успешно, несмотря на то, что эти материалы были одними из наиболее интенсивно изучаемых в мире за последние 8 лет. Материал невероятно быстро повреждается под воздействием электронного луча, поэтому нам пришлось снизить дозу электронов до точки, при которой мы работали в пределах того, что детекторы могут регистрировать. Фактически, повреждение происходит так быстро, что в «нормальных» условиях визуализации повреждение наносится до того, как вы его осознаете.
Это означает, что, вероятно, существует относительно большое количество литературы, в которой были сделаны наблюдения, основанные на поврежденной версии материала, а не на той, которая используется в реальных солнечных элементах."
Механизмы, лежащие в основе впечатляющих характеристик этих конкретных перовскитов, еще предстоит полностью понять, но они, вероятно, зависят от свойств атомного уровня, которые могут быть уникальными для них.
Доктор Крис Аллен, главный специалист по электронной микроскопии в ePSIC, говорит; «Получение изображений чувствительных к лучу материалов с атомным разрешением является чрезвычайно сложной задачей, поскольку электроны высокой энергии имеют тенденцию повреждать образец, изменяя его атомную структуру. Благодаря адаптации метода визуализации, обычно не связанного с визуализацией с низкой дозой электронов, это сотрудничество между учеными из Оксфордского университета и ePSIC позволило достичь беспрецедентного разрешения на этом важном классе материалов. Это не только ответило на вопросы об атомной структуре гибридных перовскитов, но также открывает возможности для исследований многих других материалов, чувствительных к лучам."
В статье рассматривается комбинация условий, которые теперь можно использовать для получения изображений материалов, а также изображений микроскопических свойств, которые ранее никогда не наблюдались в этих материалах.
Команда описывает это как революционное, потому что теперь это позволяет ученым точно изучать локальный состав пленок с атомарной точностью и точностью. Этот метод довольно широко используется для изучения других материалов, но из-за чрезвычайно нестабильной природы фотоактивных перовскитов, особенно под действием электронного пучка, это было невозможно для гибридных перовскитов до сих пор.
«Используя наш протокол, мы смогли описать точную атомную природу границ зерен, один из наиболее плохо изученных аспектов перовскитных солнечных элементов, а также описать целый новый диапазон кристаллических дефектов, которые могут оказать значительное влияние на макроскопические характеристики устройств на солнечных батареях.
Можно сказать, что теперь мы открыли новый уровень способности понимать эти захватывающие материалы. Хотя у нас еще нет полного представления о том, что это будет значить для разработки этих солнечных элементов, теперь исследователи смогут давать определенные ответы вместо обоснованных предположений, пытаясь ответить на вопросы о микроскопических свойствах материалов перовскитных солнечных элементов. Ответ на эти вопросы станет огромным шагом на пути к повышению эффективности солнечных батарей и, возможно, к предотвращению климатической катастрофы », – заключает д-р Ротманн.
Новая методика команды позволила им наблюдать совершенно новый спектр явлений, относящихся к гибридным перовскитам, включая важные свойства, такие как точный состав границ зерен и другие поверхности раздела, которые другие методы не смогли разрешить. Кроме того, команда обнаружила ряд кристаллографических дефектов, которые никогда не рассматривались для гибридных перовскитов и которые, как известно, в других материалах солнечных элементов сильно пагубно сказываются на общей производительности.
Устранение этих дефектов будет важно для высокой производительности, но до сих пор невозможно было достоверно определить их наличие.