vridning, fleksible krystaller nøglen til solenergiproduktion

Forskere ved Duke University har afsløret længe skjult molekylær dynamik, der giver ønskelige egenskaber til solenergi og varmeenergianvendelser til en spændende klasse af materialer kaldet halogenidperovskiter.

En vigtig bidragyder til, hvordan disse materialer skaber og transporterer elektricitet, afhænger bogstaveligt talt af måden, hvorpå deres atomargitter vrider og drejer på en hængselsagtig måde. Resultaterne vil hjælpe materialeforskere i deres søgen efter at skræddersy de kemiske opskrifter af disse materialer til en bred vifte af anvendelser på en miljøvenlig måde.

Resultaterne vises online 15. marts i tidsskriftet Naturmaterialer .

"Der er en bred interesse for halogenidperovskitter til energianvendelser som fotovoltaik, termoelektrik, optoelektronisk strålingsdetektion og -emission - hele feltet er utroligt aktivt, sagde Olivier Delaire, lektor i maskinteknik og materialevidenskab ved Duke. "Selvom vi forstår, at blødheden af ​​disse materialer er vigtig for deres elektroniske egenskaber, ingen vidste rigtig, hvordan de atomare bevægelser, vi har afsløret, understøtter disse funktioner."

Perovskites er en klasse af materialer, der - med den rigtige kombination af elementer - dyrkes til en krystallinsk struktur, der gør dem særligt velegnede til energianvendelser. Deres evne til at absorbere lys og overføre dets energi effektivt gør dem til et fælles mål for forskere, der udvikler nye typer solceller, for eksempel. De er også bløde, lidt som hvordan solidt guld nemt kan bukkes, hvilket giver dem evnen til at tåle defekter og undgå at revne, når de laves til en tynd film.

En størrelse, imidlertid, passer ikke til alle, da der er en lang række potentielle opskrifter, der kan danne en perovskite. Mange af de enkleste og mest undersøgte opskrifter inkluderer et halogen - såsom klor, fluor eller brom - hvilket giver dem navnet halogenidperovskitter. I den krystallinske struktur af perovskitter, disse halogenider er de samlinger, der binder tilstødende oktaedriske krystalmotiver sammen.

Mens forskere har vidst, at disse omdrejningspunkter er afgørende for at skabe en perovskites egenskaber, ingen har været i stand til at se på den måde, de tillader strukturerne omkring dem at vride sig dynamisk, drej og bøj uden at knække, som en Jell-O-form, der rystes kraftigt.

"Disse strukturelle bevægelser er notorisk svære at fastlægge eksperimentelt. Den valgte teknik er neutronspredning, som kommer med enorm instrument- og dataanalyseindsats, og meget få grupper har kommandoen over den teknik, som Olivier og hans kolleger gør, sagde Volker Blum, professor i maskinteknik og materialevidenskab ved Duke, der laver teoretisk modellering af perovskiter, men var ikke involveret i denne undersøgelse. "Det betyder, at de er i stand til at afsløre grundlaget for materialeegenskaberne i basale perovskitter, som ellers ikke er tilgængelige."

I undersøgelsen, Delaire og kolleger fra Argonne National Laboratory, Oak Ridge National Laboratory, National Institute of Standards and Technology, og Northwestern University, afsløre vigtig molekylær dynamik i det strukturelt simple, almindeligt undersøgt halogenidperovskit (CsPbBr ₃ ) for første gang.

Forskerne startede med en stor, centimeter-skala, enkeltkrystal af halogenidperovskitten, hvilket er notorisk svært at vokse til sådanne størrelser - en væsentlig årsag til, at denne form for dynamisk undersøgelse ikke er blevet opnået før nu. De spærrede derefter krystallen med neutroner ved Oak Ridge National Laboratory og røntgenstråler ved Argonne National Laboratory. Ved at måle, hvordan neutronerne og røntgenstrålerne hoppede af krystallerne over mange vinkler og med forskellige tidsintervaller, forskerne drillede med, hvordan dets atomer bevægede sig over tid.

Efter at have bekræftet deres fortolkning af målingerne med computersimuleringer, forskerne opdagede, hvor aktivt det krystallinske netværk faktisk er. Ottesidede oktaedriske motiver knyttet til hinanden gennem bromatomer blev fanget i at vride sig kollektivt i pladelignende domæner og konstant bøjede frem og tilbage på en meget flydende måde.

"På grund af den måde atomerne er arrangeret med oktaedriske motiver, der deler bromatomer som led, de er frie til at have disse rotationer og bøjninger, " sagde Delaire. "Men vi opdagede, at disse halogenidperovskitter i særdeleshed er meget mere 'floppy' end nogle andre opskrifter. I stedet for straks at springe tilbage i form, de vender meget langsomt tilbage, næsten mere som Jell-O eller en væske end en konventionel fast krystal."

Delaire forklarede, at denne frisindede molekylære dans er vigtig for at forstå mange af de ønskværdige egenskaber ved halogenidperovskitter. Deres 'flappiness' forhindrer elektroner i at rekombinere ind i de huller, de indkommende fotoner slog dem ud af, hvilket hjælper dem med at lave meget elektricitet fra sollys. Og det gør det sandsynligvis også vanskeligt for varmeenergi at bevæge sig hen over den krystallinske struktur, hvilket giver dem mulighed for at skabe elektricitet fra varme ved at have den ene side af materialet meget varmere end den anden.

Fordi perovskitten brugt i undersøgelsen - CsPbBr ₃ - har en af ​​de enkleste opskrifter, indeholder dog allerede de strukturelle træk, der er fælles for den brede familie af disse forbindelser, Delaire mener, at disse resultater sandsynligvis gælder for en lang række halogenidperovskitter. For eksempel, han citerer hybride organisk-uorganiske perovskiter (HOIP'er), som har meget mere komplicerede opskrifter, samt blyfri dobbelt-perovskite varianter, der er mere miljøvenlige.

"Denne undersøgelse viser, hvorfor denne perovskit-ramme er speciel selv i de mest simple tilfælde, " sagde Delaire. "Disse resultater strækker sig sandsynligvis til meget mere komplicerede opskrifter, som mange videnskabsmænd over hele verden i øjeblikket forsker i. Mens de screener enorme beregningsdatabaser, den dynamik, vi har afdækket, kan hjælpe med at beslutte, hvilke perovskiter, der skal forfølges."