可以利用极性扭曲以制造低成本的太阳能电池

来自调查人员的第一次SLAC国家加速器实验室能源部(DOE)和斯坦福大学已经应用实验室的x射线激光来观察和直接量化极化子的发展。研究人员最近在自然材料亚博网站下载杂志

一幅插图显示了极化子——一种材料的原子晶格中的稍纵即逝的扭曲——在一种很有前途的下一代能源材料中,铅混合钙钛矿。SLAC和斯坦福大学的科学家们首次观察到这些扭曲的“气泡”是如何在带电载流子周围形成的,这些载流子是由光脉冲释放出来的电子和空穴,在这里显示为亮点。这一过程可能有助于解释为什么电子在这些材料中传播如此有效,从而导致高太阳能电池性能。亚博网站下载图片来源:Greg Stewart/SLAC国家加速器实验室。

极化子本质上是发生在材料原子晶格中的瞬时畸变。这些扭曲在几万亿分之一秒的时间内围绕一个运动的电子形成,然后迅速消失。

虽然极化子是转瞬即逝的,但它们往往会影响材料的行为,也可能解释为什么用铅杂化钙钛矿制备的太阳能电池能够在实验室条件下实现难以置信的高效率。

由于其高效率亚博网站下载和低成本,这些材料通过风暴采取了太阳能研究领域,但人们仍然争论他们为何工作

艾伦·林登伯格,斯坦福大学研究负责人和副教授

林登伯格是斯坦福大学国家加速器实验室材料与能源科学研究所(SIMES)的研究员。亚博网站下载亚博老虎机网登录

极化子可能参与其中的想法已经存在很多年了,”Lindenberg补充道。”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。“

令人兴奋,复杂,很难理解

本质上,钙钛矿是矿物钙钛矿后被称为矿物质的结晶材料,其具有类似的原子结构。亚博网站下载大约10年前,调查人员开始将这些钙酯纳入太阳能电池,即使它们的钙钛矿成分具有大量缺陷,这些细胞在改变阳光下变化的阳光变化的效率也是如此。

根据林登伯格的说法,这些材料非常复杂,很难弄清楚。研究人员发亚博网站下载现这些材料很吸引人,因为它们不仅效率高,而且容易制造,为制造比现有硅电池更便宜的太阳能电池提供了可能性。然而,这些材料在暴露于空气中时会分解,极不稳定,并且含有铅,应保护铅免受环境影响。

在SLAC进行的早期分析已经用x射线束或“电子相机”探索了钙钛矿。除此之外,这些研究表明,在钙钛矿材料中,光通常会使原子旋转,这使得科学家能够量化声子(声波)的寿命,这些声子通过材料传递热量。亚博网站下载

在新的研究中,林登伯格的小组使用了实验室的直线加速器相干光源(LCLS)。LCLS是一种强大的x射线自由电子激光器,能够捕捉原子运动,发生在百万分之一秒的十亿分之一秒,并在接近原子的细节成像材料。亚博网站下载

研究人员初步研究了由斯坦福大学苏马马拉·卡卢纳达队团队的副教授生产的材料的单一晶体。然后,它们使用来自光学激光的光轰炸的小物料样本,最后使用X射线激光器可视化材料在几十万辆秒的过程中反应的方式。

扩大扭曲的泡沫

当您用光线击中它的电荷将电荷放入材料时,就像在太阳能电池中发生的情况一样,电子被释放,并且那些自由电子开始移动材料

Burak Guzelturk,阿贡国家实验室科学家

古泽尔特克在实验期间是斯坦福大学的博士后研究员。

Guzelturk继续,“很快,它们就被一种局部扭曲的气泡所包围和吞没,这种气泡就是与它们一起移动的极化子。一些人认为,这种“气泡”保护电子不被材料中的缺陷散射,有助于解释为什么它们能如此高效地到达太阳能电池的接触点,并以电流的形式流出。“

杂交钙钛矿晶格的结构是柔软而灵活的,类似于“同时的固体和液体的奇怪组合这就是使极化子能够形成和生长的原因。

团队的观察表明,polaronic扭曲开始在一个小上几埃的规模,原子之间的间距在固体和迅速扩大在所有方向向外直径约一米的5/1000000000,也就是大约增长了50倍。

在粗糙的球形区域内,这在粗糙的球形区域内稍微大约10层的原子略微伸出10层。

这种失真实际上非常大,我们以前尚未知道的东西,“Lindenberg补充道。”这是完全出乎意料的事情。“

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如何对太阳能电池的效率做出贡献。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亚博网站下载

艾伦·林登伯格,斯坦福大学研究负责人和副教授

LCLS是美国能源部科学办公室的用户设施。亚博老虎机网登录林登伯格副教授也是斯坦福PULSE研究所的研究员,该研究所类似于SIMES,是SLAC和斯坦福大学的联合研究所。

剑桥大学的研究人员在丹麦的奥胡斯大学,戴克斯大学和德国慕尼黑技术大学也参与了研究工作。DOE科学办公室提供了重大资金。亚博老虎机网登录

期刊引用:

Guzelturk, B。,.(2021)杂交铅卤化物钙锌矿动态极性应变场的可视化。自然材料亚博网站下载doi.org/10.1038/s41563-020-00865-5

资料来源:https://www6.slac.stanford.edu/

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