Første glimt af polaroner, der dannes i et lovende næste generations energimateriale

Polaroner er flygtige forvrængninger i et materiales atomgitter, der dannes omkring en bevægelig elektron på få billioner af et sekund, forsvinder derefter hurtigt. Så flygtige som de er, de påvirker et materiales adfærd, og kan endda være årsagen til, at solceller lavet med blyhybridperovskiter opnår ekstraordinært høj effektivitet i laboratoriet.

Nu har forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University brugt laboratoriets røntgenlaser til at se og direkte måle dannelsen af ​​polaroner for første gang. De rapporterede deres resultater i Naturmaterialer i dag.

"Disse materialer har taget feltet forskning i solenergi med storm på grund af deres høje effektivitet og lave omkostninger, men folk skændes stadig om, hvorfor de arbejder, sagde Aaron Lindenberg, en efterforsker ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) ved SLAC og lektor ved Stanford, der ledede forskningen.

"Tanken om, at polaroner kan være involveret, har eksisteret i en årrække, " sagde han. "Men vores eksperimenter er de første til direkte at observere dannelsen af ​​disse lokale forvrængninger, inklusive deres størrelse, form og hvordan de udvikler sig."

Spændende, komplekst og svært at forstå

Perovskiter er krystallinske materialer opkaldt efter mineralet perovskit, som har en lignende atomstruktur. Forskere begyndte at inkorporere dem i solceller for omkring et årti siden, og effektiviteten af ​​disse celler ved at omdanne sollys til energi er støt steget, på trods af, at deres perovskit-komponenter har en masse defekter, der skulle hæmme strømstrømmen.

Disse materialer er berømte komplekse og svære at forstå, sagde Lindenberg. Selvom forskere finder dem spændende, fordi de er både effektive og lette at lave, øger muligheden for, at de kunne gøre solceller billigere end nutidens siliciumceller, de er også meget ustabile, nedbrydes, når de udsættes for luft, og indeholder bly, der skal holdes ude af miljøet.

Tidligere undersøgelser på SLAC har fordybet sig i naturen af ​​perovskitter med et "elektronkamera" eller med røntgenstråler. Blandt andet, de afslørede, at lys hvirvler atomer rundt i perovskitter, og de målte også levetiden for akustiske fononer – lydbølger – der fører varme gennem materialerne.

Til denne undersøgelse, Lindenbergs team brugte laboratoriets Linac Coherent Light Source (LCLS), en kraftig røntgen-fri-elektronlaser, der kan afbilde materialer i nær-atomare detaljer og fange atomiske bevægelser, der forekommer i milliontedele af en milliardtedel af et sekund. De så på enkeltkrystaller af materialet syntetiseret af lektor Hemamala Karunadasas gruppe ved Stanford.

De ramte en lille prøve af materialet med lys fra en optisk laser og brugte derefter røntgenlaseren til at observere, hvordan materialet reagerede i løbet af titusinder af billioner af et sekund.

Udvidende bobler af forvrængning

"Når du putter en ladning i et materiale ved at ramme det med lys, som hvad der sker i en solcelle, elektroner frigøres, og de frie elektroner begynder at bevæge sig rundt i materialet, " sagde Burak Guzelturk, en videnskabsmand ved DOE's Argonne National Laboratory, som var postdoc-forsker ved Stanford på tidspunktet for eksperimenterne.

"Snart er de omgivet og opslugt af en slags boble af lokal forvrængning - polaronen - der rejser sammen med dem, " sagde han. "Nogle mennesker har hævdet, at denne 'boble' beskytter elektroner mod at sprede defekter i materialet, og hjælper med at forklare, hvorfor de rejser så effektivt til solcellens kontakt for at flyde ud som elektricitet."

Den hybride perovskit-gitterstruktur er fleksibel og blød - som "en mærkelig kombination af et fast stof og en væske på samme tid, "som Lindenberg udtrykker det - og det er det, der tillader polaroner at danne og vokse.

Deres observationer afslørede, at polaroniske forvrængninger starter meget små - på skalaen af ​​nogle få ångstrøm, om afstanden mellem atomer i et fast stof - og udvider sig hurtigt udad i alle retninger til en diameter på omkring 5 milliardtedele meter, hvilket er omkring en 50-dobling. Dette skubber omkring 10 lag atomer lidt udad i et nogenlunde sfærisk område i løbet af snesevis af picosekunder, eller billioner af et sekund.

"Denne forvrængning er faktisk ret stor, noget vi ikke vidste før, "Sagde Lindenberg." Det er noget helt uventet. "

Han tilføjede, "Mens dette eksperiment viser så direkte som muligt, at disse objekter virkelig eksisterer, det viser ikke, hvordan de bidrager til effektiviteten af ​​en solcelle. Der er stadig yderligere arbejde at gøre for at forstå, hvordan disse processer påvirker egenskaberne af disse materialer."