阻止去除热量的振动可以提高下一代太阳能电池的效率

在能源部橡树岭国家实验室和田纳西大学诺克斯维尔分校的领导下，一项对前景光明的太阳能材料的研究揭示了一种减缓声子的方法，声子是传输热量的波。这一发现可以改进新型热载流子太阳能电池，通过在光生载流子失去能量转化为热量之前利用光生载流子，它比传统太阳能电池更有效地将阳光转化为电能。

“我们表明，可以通过改变光伏材料中氢原子的质量来控制热传输和电荷载流子冷却时间，”ORNL 的 Michael Manley 说。“这条延长电荷载流子寿命的途径为在新型热载流子太阳能电池中实现创纪录的太阳能到电转换效率提供了新的策略。”

UT 的 Mahshid Ahmadi 指出：“调整有机分子动力学可以控制对有机金属钙钛矿中的热导率很重要的声子。”这些半导体材料有望用于光伏应用。

Manley 和 Ahmadi 设计并管理了这项研究，发表在Science Advances 上。材料合成、中子散射、激光光谱和凝聚态理论方面的专家发现了一种通过将有机金属钙钛矿中较轻的同位素换成较重的同位素来抑制浪费电荷冷却的方法。

当阳光照射到太阳能电池上时，光子会在吸收材料中产生电荷载流子——电子和空穴。热载流子太阳能电池在电荷载流子的能量以废热形式损失之前迅速将其转换为电能。防止热量损失是这些太阳能电池面临的巨大挑战，它们的效率可能是传统太阳能电池的两倍。

传统钙钛矿太阳能电池的转换效率已从2009年的3%提高到2020年的25%以上。设计良好的热载流子器件可以实现接近66%的理论转换效率。

研究人员研究了甲基铵碘化铅，一种钙钛矿吸收材料。在它的晶格中，原子的集体激发会产生振动。相互同步的振动是声学声子，而那些不同步的振动是光声子。

“通常情况下，电荷载流子首先将热量传递给光学声子，其传播速度比声学声子慢，”ORNL 的合著者 Raphael Hermann 解释说。“后来，光学声子与带走这种能量的声学声子相互作用。”

然而，在一个被称为“热声子瓶颈”的区域，奇异的物理学阻止了电子因传递热量的集体振动而失去能量。为了增强光伏钙钛矿中的这种效果，研究人员使用了惯性，即物体保持做它正在做的事情的趋势，无论是静止还是移动。

“我们基本上减慢了分子摇摆的速度，类似于通过将重物放在手中来减慢旋转的溜冰者，”赫尔曼说。

为了在有序的原子晶格中做到这一点，Ahmadi 和 ORNL 的 Kunlun Hong 在 ORNL 的 DOE 科学用户设施办公室纳米相材料科学中心领导了甲基铵碘化铅晶体的合成。他们在钙钛矿的中心有机分子甲基铵或 MA 中用较重的氢同位素(通常没有中子)取代了较轻的氢同位素，即没有中子的氚，而氘则有一个中子。同位素是化学上相同的原子，由于中子数的不同，它们仅在质量上有所不同。

接下来，Manley 和 Hermann 与 ORNL 的 Songxue Chi 在高通量同位素反应器(ORNL 的 DOE 科学用户设施办公室)进行了三轴中子散射实验，以绘制质子化和氘化晶体中的声子色散图。因为他们发现他们的测量结果与非弹性 X 射线测量的公布数据之间存在分歧，所以他们在 ORNL 的另一个 DOE 科学用户设施办公室散裂中子源进行了额外的测量。在那里，ORNL 的 Luke Daemen 使用 VISION 振动光谱仪揭示了所有可能的振动能量。综合结果表明，短波长的纵向声波模式在氘代样品中传播得更慢，这表明热导率可能会降低。

ORNL 的 Hsin Wang 进行了热扩散率测量，以研究热量如何在晶体中移动。“这些测量告诉我们，氘化使本已很低的热导率降低了 50%，”曼利说。“然后我们意识到，也许这一发现会影响太阳能设备制造商关心的事情——特别是保持电荷载流子的热度。”

该研究为原子质量增加对传热的影响提供了前所未有的理解。

“很多振动，比如氢原子的拉伸模式，都具有如此高的频率，以至于它们通常不会与晶体的低能量振动相互作用，”Daemen 说。低能量模式包括分子的摇摆。

有机分子 MA 的摆动频率略高于集体振动的频率。然而，当氘原子取代较轻的氢同位素时，其较大的质量会减缓 MA 的摆动。它以更接近集体振动的频率摆动，两者开始相互作用，然后强烈耦合。同步声子变慢，散热效果变差。

赫尔曼将频率对男孩的不同行为的影响进行了比较，当他的父亲在秋千上推动他时。“质子化的情况就像男孩移动他的腿太快而无法与父亲的推动同步。他不会走得更高。但如果他开始以与摆动大致相同的频率移动他的腿，那就像氘化的情况”孩子已经放慢了他的腿的速度，以至于他开始与推动的挥杆同步，增加了动力。他能够挥得更高，因为这两个动作是耦合的。

ORNL 的测量结果显示，这种影响远远超出了改变氢质量的预期效果：氘化减慢了热传输速度，以至于电荷载流子冷却时间加倍。

为了证实这一发现，ORNL 的合著者 Chengyun Hua 使用泵浦探针激光实验来测量氘化和质子化钙钛矿中电子能量耗散的微小时间尺度，千万亿分之一秒。

“这些测量证实，重同位素引起的声子和热导率的巨大变化转化为光激发电子更慢的弛豫时间，”华说。“这是改善光伏性能的重要因素。”

加州大学伯克利分校的共同作者 Yao Cai 和同样在美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室工作的 Mark Asta 进行了基于理论的计算，以深入了解声子行为的复杂性。

ORNL-UT 主导的研究中的这一发现可能为未来的热载流子太阳能电池制造商提供一个亮点。

“声子看起来像是一个非常有效的旋钮，我们知道如何转动旋钮，”曼利说。“当你想改进材料时，你可以添加一个分子、甲基铵或其他东西。这一发现可以告知开发人员关于他们如何生长晶体的决定。”

Ahmadi 补充道，“这些知识可用于指导光伏以外应用的材料设计，例如光学传感器和通信设备。”