Det er en fælde - Forskere identificerer processen, hvorved huller bliver fanget i ZnO nanopartikler

Når en solcelle absorberer en foton af lys, det starter et elektronisk kapløb med tiden. To partikler - en negativt ladet elektron og et positivt ladet "hul" - genererer elektricitet, hvis de adskilles helt.

Imidlertid, når disse partikler bliver fanget i et solmateriale, før de kan adskilles helt, det kan mindske materialets evne til at omdanne lys til elektricitet.

Forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har offentliggjort en ny undersøgelse, der identificerer den proces, hvorved huller bliver fanget i nanopartikler lavet af zinkoxid, et materiale af potentiel interesse til solenergianvendelser, fordi det absorberer ultraviolet lys.

"Hvis du laver en solcelle, du vil undgå at fange huller; men hvis du laver en fotokatalysator, du vil fange dem." — røntgenforsker Christopher Milne fra schweiziske Paul Scherrer Institute.

Ved hjælp af røntgenstråler produceret af Argonnes Advanced Photon Source (APS), forskerne var i stand til at se fangsten af ​​huller i specifikke områder af nanopartiklerne. Dette repræsenterer et bemærkelsesværdigt fremskridt, da tidligere eksperimenter var i stand til at detektere migration og indfangning af elektroner, men ikke huller.

Ifølge Stephen Southworth, en forfatter til undersøgelsen, nogle har overvejet zinkoxid som et muligt alternativ til titaniumdioxid, det mest almindeligt anvendte solcellemateriale. Det er nødvendigt at forstå hulindfangningsadfærden for at evaluere materialets levedygtighed i solenergianvendelser, han sagde.

Selvom hulindfangning forringer ydeevnen af ​​fotovoltaiske enheder, det kan forbedre zinkoxids evne til at fungere som fotokatalysator, da positive ladninger lagret i fælderne i materialet kan fortsætte med at fungere som deltagere i kemiske reaktioner.

"Hvis du laver en solcelle, du vil undgå at fange huller; men hvis du laver en fotokatalysator, du vil fange dem, " sagde projektleder Christopher Milne, en røntgenforsker ved Paul Scherrer Instituttet i Schweiz. "Uanset, at forstå, hvordan disse atomer bliver fanget - og hvor længe - er afgørende vigtigt for at lave funktionelle materialer, der omdanner lys til brugbar energi."

Forskerne fastslog, at hullerne blev fanget i "ilt-vacatures" - steder i krystalgitteret, hvor der mangler et iltatom. Zinkoxid, Milne sagde, har en krystallinsk struktur, der gør det muligt at have mange af disse ledige stillinger. Fangsten sker, fordi de ledige stillinger har et lavere energiniveau end det omgivende miljø, skabe en energisk sprække til at passere huller.

For at foretage deres målinger, forskerne kombinerede to forskellige røntgenteknikker:røntgenabsorptionsspektroskopi og resonans røntgenstråleemissionsspektroskopi. "At kombinere disse teknikker er unikt muligt med det setup, vi har på APS, giver os et billede, der viser os både atomgeometrien og den elektroniske struktur af materialet, " sagde Argonne røntgenfysiker Gilles Doumy, en forfatter til undersøgelsen, som brugte 7ID-D beamline ved APS.

"APS var et af de eneste steder i verden, vi kunne have lavet dette eksperiment. Det var et meget frugtbart samarbejde, " sagde Milne. APS er en DOE Office of Science User Facility.

Forskerne indikerede, at fremtidige undersøgelser af systemet kunne drage fordel af at have evnen til at tage ekstremt hurtige snapshots af fældeadfærden. Et sådant eksperiment kunne udføres på røntgenfri-elektronlaserfaciliteter som SLACs Linac Coherent Light Source, også en DOE Office of Science User Facility.

"I bund og grund, vi ønsker at se den samme proces, men har evnen til at tage billeder tusind gange hurtigere, " sagde Southworth.

"Materialets funktionalitet vil altid afhænge af, hvordan adfærd på tidlige tidspunkter i processen påvirker adfærden på senere og længere tidspunkter, " tilføjede Doumy. "Vi har brug for begge billeder for en omfattende forståelse."

En artikel baseret på undersøgelsen, "Afslører hulindfangning i zinkoxidnanopartikler ved tidsopløst røntgenspektroskopi, " optrådte i onlineudgaven af ​​2. februar Naturkommunikation .