在有前途的下一代能源材料中形成极化子的第一眼
极化子是材料原子晶格中的短暂扭曲，在几万亿分之一秒内围绕移动电子形成，然后迅速消失。尽管它们是短暂的，但它们会影响材料的行为，甚至可能是用铅杂化钙钛矿制成的太阳能电池在实验室中实现异常高效率的原因。
现在，美国能源部 SLAC 国家加速器实验室和斯坦福大学的科学家们首次使用实验室的 X 射线激光观察并直接测量极化子的形成。他们今天在《自然材料》上报告了他们的发现。
斯坦福大学材料与能源科学研究所 (SIMES) 的研究员 Aaron Lindenberg 说：“这些材料因其高效率和低成本而在太阳能研究领域风靡一时，但人们仍在争论它们的工作原理。”在 SLAC 和斯坦福大学的副教授领导了这项研究。
“可能涉及极化子的想法已经存在了很多年，”他说。“但我们的实验是第一个直接观察这些局部扭曲的形成，包括它们的大小、形状以及它们如何演变的。”
令人兴奋、复杂且难以理解
钙钛矿是以矿物钙钛矿命名的晶体材料，具有相似的原子结构。大约十年前，科学家们开始将它们集成到太阳能电池中，这些电池将太阳光转化为能量的效率稳步提高，尽管它们的钙钛矿组件有很多缺陷，应该会抑制电流的流动。
林登伯格说，这些材料是出了名的复杂且难以理解。虽然科学家们发现它们令人兴奋，因为它们既高效又易于制造，这增加了它们使太阳能电池比今天的硅电池更便宜的可能性，但它们也非常不稳定，暴露在空气中时会分解并且含有必须保存的铅脱离环境。
SLAC 之前的研究已经通过“电子相机”或 X 射线束深入研究了钙钛矿的性质。除其他外，他们揭示了光在钙钛矿中旋转原子，他们还测量了声学声子的寿命——声波——通过材料携带热量。
在这项研究中，林登伯格的团队使用了实验室的直线加速器相干光源 (LCLS)，这是一种强大的 X 射线自由电子激光器，可以对材料进行近原子细节成像，并捕获发生在百万分之一秒内的原子运动。他们研究了斯坦福大学 Hemamala Karunadasa 副教授小组合成的材料的单晶。
他们用来自光学激光器的光击中材料的小样本，然后使用 X 射线激光器观察材料在数十万亿分之一秒的过程中如何响应。
膨胀的变形气泡
美国能源部阿贡国家实验室的科学家 Burak Guzelturk 说：“当你通过用光照射材料将电荷放入材料中时，就像太阳能电池中发生的事情一样，电子被释放，这些自由电子开始在材料周围移动。”实验期间，他是斯坦福大学的博士后研究员。
“很快，它们就被一种局部变形的气泡——极化子——包围并吞没，它与它们一起移动，”他说。“有些人认为，这种‘气泡’可以保护电子免受材料中缺陷的散射，并有助于解释为什么它们如此高效地到达太阳能电池的触点以作为电流流出。”
混合钙钛矿晶格结构既灵活又柔软——就像林登伯格所说的“同时是固体和液体的奇怪组合”——这就是极化子形成和生长的原因。
他们的观察表明，极化子畸变开始时非常小——在几埃的尺度上，大约是固体中原子之间的间距——并迅速向各个方向向外扩展到大约十亿分之一米的直径，大约是增加 50 倍。在几十皮秒或万亿分之一秒的过程中，这会在大致呈球形的区域内略微向外推动大约 10 层原子。
“这种失真实际上非常大，这是我们以前不知道的，”林登伯格说。“这是完全出乎意料的事情。”
他补充说：“虽然这个实验尽可能直接地表明这些物体确实存在，但并没有表明它们如何对太阳能电池的效率做出贡献。还有进一步的工作要做，以了解这些过程如何影响特性这些材料。”
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新能源
2021-06-09
