A Universal Polybromide Melt Strategy for the Direct Conversion of Metals into Optoelectronic-Grade Bromide Perovskites
本文介绍了一种利用甲基铵多溴化物熔体在室温下将稳定的单质金属薄膜直接转化为高质量溴化物钙钛矿及相关相态的通用、无有机溶剂策略，该策略克服了传统的氧化限制，并为下一代光电子器件提供了一条可扩展的途径。
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阳光照射在太阳能电池板上是一个常见的景象，但这些电池板内部的材料通常既复杂又脆弱。为了将光转化为电，科学家们使用了一类被称为卤化物钙钛矿（halide perovskites）的晶体。这些材料之所以特殊，是因为它们能很好地吸收光线，并且可以制成薄而柔韧的薄膜。然而，制造它们的过程非常棘手。这些晶体内部的原子必须具有特定的电荷才能正常工作。如果电荷哪怕只有轻微偏差，材料就会失效或迅速分解。传统上，科学家们必须从已经具有正确电荷的化学物质开始，但这些物质通常不稳定、昂贵，或者在处理时具有毒性。这使得制造大型、可靠的太阳能电池或其他基于光的设备变得十分困难。
以色列本-格里恩大学（Ben-Gurion University）的一个研究小组发现了一种绕过这些问题的方法。他们发现了一种将稳定的固体金属直接转化为此类设备所需的高质量晶体的方法。他们不再从不稳定的化学物质开始，而是从纯净的金属片（如铅、锡、金或铜）开始。然后，他们施加一种由盐和溴混合而成的特殊液体。这种液体充当一种强大但受控的氧化剂，从金属原子中夺取电子，并将它们重新排列成太阳能电池所需的完美晶体结构。该过程发生迅速，在室温下即可完成，且不需要有毒的有机溶剂。
研究人员在四种不同的金属上测试了这种方法，每种金属都有其自身的挑战。铅是太阳能电池中最常用的金属，但其化学形式具有毒性。锡是一种很有前景的替代品，毒性较低，但它非常不稳定，暴露在空气中很容易变成无用的形式。金和铜也很难使用，因为它们天然倾向于以不同于太阳能电池所需的状态存在。通过使用一种被称为多溴盐熔体（polybromide melt）的液体混合物，该团队展示了所有四种金属都可以被转化为正确的晶体形式。这种液体就像一座化学桥梁，将稳定的金属转化为电子设备所需的活性材料。
其中一项最重要的发现涉及锡。过去，尝试制造锡基太阳能晶体往往会导致锡过度氧化，变成一种无法工作的白色粉末。研究人员发现，通过调整液体混合物的配方——具体来说是通过增加酸量并减少溴量——他们可以减缓反应速度，从而防止过度氧化。这使他们能够制造出即使暴露在普通空气中也能保持稳定的高质量锡晶体。他们还观察到，如果留有一些剩余金属，它会起到修复晶体的作用，作为一种自我纠正机制，使锡保持在正确的状态。
该团队不仅仅是在烧瓶中混合化学物质；他们实时观察了这个过程。通过将金属粉末和液体混合物放入密封腔室内，并在反应进行时拍摄 X 射线照片，他们看到了晶体是如何形成的。对于某些金属，这种转化是瞬间完成的。对于其他金属，则需要几分钟时间。在锡和铜的情况下，他们观察到了临时的中间阶段，即原子的状态在最终完美的晶体结构定型之前处于一种混乱的中间状态。这种详细的观察有助于他们理解，这种液体混合物不仅仅是一个简单的反应物，而是一个可调控的工具。通过改变混合物中溴的含量，他们可以控制反应发生的快慢以及最终产物是什么。
这种方法为制造业提供了一条新路径。因为起始材料是纯金属，所以它们易于储存且安全易于处理。它们可以通过标准的工业机器沉积在大型塑料或玻璃卷上，这种工艺被称为卷对卷制造（roll-to-roll manufacturing）。一旦金属片放置到位，就可以将液体混合物涂抹在上面，从而瞬间创建太阳能电池或发光设备的活性层。这避开了对复杂、昂贵且危险的前驱体的需求。研究人员认为，这种方法可以使下一代能源技术的规模化生产变得更加容易，将简单的金属薄膜转化为驱动我们未来的尖端材料。
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