晶体中的液体状运动可以解释它们在太阳能电池中的有前途的行为

时间：2021-06-04 14:32:08 来源：

太阳在一小时内向地球提供的能量比人类一整年消耗的能量还要多。全世界的科学家都在寻找能够经济高效地捕获这种无碳能量并将其转化为电能的材料。

钙钛矿是一类具有独特晶体结构的材料，可以超越当前的太阳能收集技术。它们比当前太阳能电池中使用的材料便宜，并且它们已经展示了非凡的光伏特性——这种行为使它们能够非常有效地将阳光转化为电能。

在原子尺度上揭示钙钛矿的性质对于了解其有前途的能力至关重要。这种洞察力可以帮助模型确定太阳能电池钙钛矿材料的最佳组成，这些材料可用于为车辆、电子设备甚至家庭供暖和其他电器提供动力。

美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室的科学家参与了由杜克大学领导的合作项目，以及美国能源部橡树岭国家实验室和其他合作者，使用世界一流的 X 射线研究钙钛矿材料的内部工作原理阿贡的散射能力和橡树岭的中子散射能力。散射能力使科学家能够在原子尺度上观察材料的行为，研究表明钙钛矿中的液体状运动可以解释它们如何有效地产生电流。

该研究的首席科学家、杜克大学的奥利维尔·德莱尔 (Olivier Delaire) 说：“围绕这些材料有很多令人兴奋的地方，但我们并不完全理解它们为何如此出色的光伏发电。”

当光照射到光伏材料时，它会激发电子，促使它们从原子中弹出并穿过材料，导电。一个常见的问题是被激发的电子可以与原子复合，而不是穿过材料，这会显着减少相对于撞击材料的阳光量产生的电力。

“钙钛矿在防止复合方面做得很好，”阿贡的雷奥斯本说。“我们想知道是什么机制导致了这种情况，以及我们是否可以从中学习以制造更好的太阳能电池。”

该团队研究了一种最简单的钙钛矿——铯、铅和溴的化合物 (CsPbBr3)——以弄清楚原子尺度上发生了什么。

使用阿贡的磁性材料小组的光束线 (6-ID-D) 的 X 射线散射功能，该团队位于美国能源部科学用户设施办公室的高级光子源，该团队捕获了不同温度下钙钛矿晶体中原子的平均位置.他们发现每个铅原子及其周围的溴原子笼形成了行为类似于分子的刚性单元。这些单元以类似液体的方式振荡——或前后摇晃。

“这种材料中的分子围绕其他分子旋转，就像它们铰链在一起一样，围绕铰链，分子表现得有点松软，”德莱尔说。

解释钙钛矿如何抵抗复合的一种理论是，晶格或晶体结构中的这些扭曲在自由电子穿过材料时跟随自由电子。电子可能会使晶格变形，引起类似液体的扰动，从而阻止它们回落到它们的宿主原子中。这一理论得到了新实验结果的支持，可以为如何设计太阳能电池的最佳钙钛矿材料提供新的见解。

数据还表明，材料中的分子在二维平面内振荡，没有跨平面运动——类似于狂欢节，只从左到右摆动，但从不从前到后。晶体畸变的二维性质可能是解释钙钛矿如何防止电子复合、提高材料效率的又一难题。

根据奥斯本的说法，X 射线散射数据中的二维图案从未见过。“基于这些意想不到的测量结果，我们不仅希望通过查看平均原子位置，而且还希望通过观察原子如何实时移动来进行更深入的挖掘，”他说。

为了直接研究原子的运动，该团队使用了散裂中子源的中子散射功能，这是橡树岭国家实验室的美国能源部科学用户设施办公室。阿贡大学材料科学部和西北大学的研究人员开发了中子测量所需的大型厘米级晶体。

中子散射证实了在 X 射线散射实验中看到的不可预见的模式，但此外，还表明分子在二维中振荡几乎不需要能量。这有助于解释为什么激发的电子可以如此容易地使晶格变形。

“这项工作是中子和 X 射线在揭示复杂材料的结构和动力学方面互补性的一个很好的例子，”参与了两组测量的奥斯本说。