极化子的第一次一瞥——短暂的扭曲——在有希望的下一代能源材料中形成

如何在原子晶格中变形

图示出了极化子 - 在材料的原子晶格中的短暂扭曲 - 在有前途的下一代能源材料,铅杂交钙钛矿。信用:Greg Stewart / Slac National Accelerator实验室

这些短暂的中断,这是在铅杂交普林斯基斯第一次看到的,可能有助于解释为什么这些材料在将阳光变成太阳能电池的电流时非常擅长。

极化子是一种物质原子晶格中的短暂扭曲,在几万亿分之一秒内围绕移动的电子形成,然后迅速消失。它们虽然短暂,但会影响材料的性能,甚至可能是用铅杂化钙钛矿制成的太阳能电池在实验室中获得超高效率的原因。

现在,能源部斯拉克国家加速器实验室和斯坦福大学的科学家们使用了实验室的X射线激光观察并直接测量了第一次衡量珠光子的形成。他们报告了他们的发现自然材料2021年1月4日。

“这些材料已经采取了风暴的太阳能研究领域,因为它们的效率高,成本低,但人们仍然争论他们为何工作,”斯坦福材料和能源科学研究院(Simes)的调查员,亚伦林登贝格说在斯坦福斯坦福斯坦福斯特克斯和副教授,曾领致研究。

“可以涉及的想法已经存在了一些历史,”他说。“但我们的实验是第一个直接观察到这些局部扭曲的形成,包括它们的大小,形状和它们如何发展。”

Piarons如何通过下一个能源材料来传播

一个插图显示了极化子 - 材料的原子格子中的短暂扭曲 - 在一个有前进的下一代能源材料中,铅杂交钙钛矿。SLAC和斯坦福的科学家首次观察到这些“气泡”围绕电荷载体的变形形式的“气泡” - 电子和孔被光的脉冲释放出来 - 这在此处显示为亮点。该过程可以帮助解释为什么电子在这些材料中如此高效地行驶,导致太阳能电池性能高。信用:Greg Stewart / Slac National Accelerator实验室

令人兴奋,复杂,难以理解

Perovskites是在矿物钙钛矿后命名的结晶材料,其具有类似的原子结构。科学家大约十年前开始将它们纳入太阳能电池中,尽管它们的钙钛矿组分具有很多应抑制电流流动的缺陷,但这些细胞在将阳光转换为能量时的效率稳步增加。

这些材料是出了名的复杂和难以理解,林登伯格说。当科学家们发现他们令人兴奋,因为他们都是高效和容易,提高的可能性,他们可以使太阳能电池更便宜比今天的硅电池,他们也非常不稳定,打破当暴露在空气中,含有铅,保持环境。

SLAC之前的研究是用“电子照相机”或x射线深入研究钙钛矿的性质。在其他方面,他们揭示了光在钙钛矿中旋转原子,他们还测量了声子的寿命——声波——通过材料传递热量。

对于这项研究,Lindenberg的团队使用了实验室的LinaC相干光源(LCLS),这是一种强大的X射线自由电子激光器,可以在近似原子细节中的图像材料和捕获原子动动量的百万分之十亿分之一。他们看着副教授亨莫纳卡鲁纳达萨群体在斯坦福大学的单一晶体。

它们用来自光学激光的光击中了物料的小样本,然后使用X射线激光器观察材料如何在几十万辆的一秒钟内响应。

苦参迅速扩张

正如这个动画所显示的,极化合变开始非常小,然后向四面八方迅速扩张到直径约为50亿分之一米,大约是原来的50倍。在几十皮秒(万亿分之一秒)的时间里,大约10层原子会在一个近似球形的区域内稍微向外移动。在SLAC国家加速器实验室首次用x射线自由电子激光在铅杂化钙钛矿中测量了这种扭曲。信用:Greg Stewart / Slac National Accelerator实验室

扩大扭曲的气泡

“When you put a charge into a material by hitting it with light, like what happens in a solar cell, electrons are liberated, and those free electrons start to move around the material,” said Burak Guzelturk, a scientist at DOE’s Argonne National Laboratory who was a postdoctoral researcher at Stanford at the time of the experiments.

“很快,他们被围绕着局部扭曲的泡沫笼罩着 - 这是与他们一起旅行的泡沫,”他说。“有些人认为这个”泡沫“保护电子保护电子散射材料中的缺陷,并有助于解释它们为什么如此高效地旅行到太阳能电池的接触以使电力流出。”

杂交钙钛矿晶格结构是柔性柔软的“固体和液体的奇怪组合,同时”,因为Lindenberg放了它 - 这是允许极性的形状和生长的原因。

他们的观察结果表明,极性扭曲在几埃的尺度上开始非常小 - 围绕固体中的原子间距 - 并且在所有方向上向外膨胀到大约50亿米的直径,这约为50米- 增加。在几十皮秒(万亿分之一秒)的时间里,大约10层原子会在一个近似球形的区域内稍微向外移动。

“这种扭曲实际上非常大,我们以前尚未知道的东西,”林登伯格说。“这是完全出乎意料的事情。”

他补充说:“虽然这个实验尽可能直接地表明这些物体确实存在,但它并没有说明它们是如何提高太阳能电池的效率的。为了了解这些过程如何影响这些材料的性能,我们还需要做更多的工作。”

Reference: “Visualization of dynamic polaronic strain fields in hybrid lead halide perovskites” by Burak Guzelturk, Thomas Winkler, Tim W. J. Van de Goor, Matthew D. Smith, Sean A. Bourelle, Sascha Feldmann, Mariano Trigo, Samuel W. Teitelbaum, Hans-Georg Steinrück, Gilberto A. de la Pena, Roberto Alonso-Mori, Diling Zhu, Takahiro Sato, Hemamala I. Karunadasa, Michael F. Toney, Felix Deschler and Aaron M. Lindenberg, 4 January 2021,自然材料
DOI:10.1038 / S41563-020-00865-5

LCLS是美国能源部科学用户设施办公室。林登伯格还是斯坦福脉搏研究所(Stanford PULSE Institute)的研究员,该研究所和西梅斯研究所一样,是SLAC和斯坦福大学的联合研究所。来自英国剑桥大学的科学家;奥胡斯大学在丹麦;德国慕尼黑技术大学也为这项研究做出了贡献。主要资金来自DOE科学办公室。

2评论关于“首次瞥见极性龙 - 短暂扭曲 - 在承诺的下一个能源材料中形成”

  1. “Perovskites是经过矿物钙钛矿的结晶材料,其具有类似的原子结构。”

    我认为声明可以如下改善:'Perovskites'是具有与矿物质结构类似的矿物质结构的材料,之后他们被命名,但用不同的化学组成。

  2. 暗能反物质反应堆。扭曲3先生。从事

发表评论

电子邮件地址是可选的。如果提供的话,您的电子邮件不会发布或共享。