Væske-lignende bevægelse i krystaller kan forklare deres lovende adfærd i solceller

Solen leverer mere energi til Jorden på en time, end menneskeheden forbruger over et helt år. Forskere verden over søger efter materialer, der omkostningseffektivt og effektivt kan opfange denne kulstoffri energi og omdanne den til elektricitet.

Perovskitter, en klasse materialer med en unik krystalstruktur, kunne overhale den nuværende teknologi til høst af solenergi. De er billigere end materialer, der bruges i nuværende solceller, og de har vist bemærkelsesværdige fotovoltaiske egenskaber - adfærd, der giver dem mulighed for meget effektivt at omdanne sollys til elektricitet.

At afsløre perovskites natur i atomskala er afgørende for at forstå deres lovende evner. Denne indsigt kan hjælpe informere modeller til at bestemme den optimale sammensætning af perovskitmaterialer til solceller, som kan bruges til at drive køretøjer, elektroniske enheder og endda boligopvarmning og andre apparater.

Forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory deltog i et samarbejde ledet af Duke University, sammen med DOE's Oak Ridge National Laboratory og andre samarbejdspartnere, at studere den indre virkning af et perovskitmateriale ved hjælp af røntgenstråling i verdensklasse i Argonne og neutronspredningsegenskaber ved Oak Ridge. Spredningsmulighederne gjorde det muligt for forskerne at observere materialets adfærd i atomskala, og undersøgelsen viste, at væskelignende bevægelse i perovskitter kan forklare, hvordan de effektivt producerer elektriske strømme.

"Der er stor spænding omkring disse materialer, men vi forstår ikke helt, hvorfor de er så gode solceller, " sagde Duke Universitys Olivier Delaire, hovedforsker ved undersøgelsen.

Når lyset rammer et fotovoltaisk materiale, det exciterer elektroner, får dem til at springe ud af deres atomer og rejse gennem materialet, ledende elektricitet. Et almindeligt problem er, at de ophidsede elektroner kan rekombineres med atomerne i stedet for at rejse gennem materialet, hvilket kan reducere den producerede elektricitet betydeligt i forhold til mængden af ​​sollys, der rammer materialet.

"Perovskitter klarer sig godt til at forhindre rekombination, "sagde Argonnes Ray Osborn." Vi vil vide, hvilken mekanisme der forårsager dette, og om vi kan lære af dette for at skabe bedre solceller. "

Holdet undersøgte en af ​​de enkleste perovskitter - en forbindelse af cæsium, bly og brom (CsPbBr ₃ ) - for at finde ud af, hvad der foregår i atomskalaen.

Brug af røntgenspredningskapaciteter ved Argonnes Magnetic Materials-gruppes strålelinje (6-ID-D) ved laboratoriets avancerede fotonkilde, en DOE Office of Science brugerfacilitet, holdet fangede de gennemsnitlige positioner af atomerne i en perovskitkrystal ved forskellige temperaturer. De fandt ud af, at hvert blyatom og dets omgivende bur af bromatomer danner stive enheder, der opfører sig som molekyler. Disse enheder svinger-eller jiggler frem og tilbage-på en væskelignende måde.

"Molekylerne i dette materiale roterer omkring de andre molekyler som om de er hængslet sammen, og rundt om hængslerne, molekylerne virker lidt diskette, " sagde Delaire.

En teori til at forklare, hvordan perovskitter modstår rekombination, er, at disse forvrængninger i gitteret, eller krystalstruktur, følg de frie elektroner, når de krydser materialet. Elektronerne kan deformere gitteret, forårsager væskelignende forstyrrelser, som derefter forhindrer dem i at falde tilbage i deres værtsatomer. Denne teori, som styrkes af de nye eksperimentelle resultater, kan give ny indsigt i, hvordan man designer optimale perovskitmaterialer til solceller.

Dataene indikerer også, at molekyler i materialet svinger inden for todimensionale planer, uden bevægelse på tværs af fly - ligner en karnevalstur, der kun svinger fra venstre mod højre, men aldrig forrest. Krystalforvrængningernes todimensionelle karakter kan være endnu et puslespil for at forklare, hvordan perovskitten kan forhindre elektronrekombination, bidrager til materialets effektivitet.

Ifølge Osborn, de todimensionelle mønstre i røntgenspredningsdataene var aldrig blevet set. "Baseret på disse uventede målinger, vi ville grave endnu dybere ved ikke kun at kigge på gennemsnitlige atomstillinger, men hvordan atomerne bevæger sig rundt i realtid, " han sagde.

For at undersøge atomernes bevægelse direkte, holdet brugte neutronspredningsfunktioner ved Spallation Neutron Source, en DOE Office of Science brugerfacilitet på Oak Ridge National Laboratory. Forskere ved Argonnes Materials Science division og Northwestern University voksede de store, krystaller i centimeterskala, der kræves til neutronmålingerne.

Neutronspredningen bekræftede det uforudsete mønster, der ses i røntgenstrøingsspredningsforsøget, men viste, ud over, at der næsten ingen energi skal til for molekylerne at svinge i to dimensioner. Dette er med til at forklare, hvorfor de exciterede elektroner kan deformere gitteret så let.

"Dette værk er et smukt eksempel på komplementariteten mellem neutroner og røntgenstråler ved at afsløre både strukturen og dynamikken i komplekse materialer, " sagde Osborn, der var involveret i begge målesæt.

Undersøgelsen repræsenterer et skridt i retning af at drage fuld fordel af den stort set uudnyttede vedvarende energi fra solen, som kan have betydelige konsekvenser for både miljøet og økonomien.