Теперь ученые из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики и Стэнфордского университета впервые использовали рентгеновский лазер лаборатории для наблюдения и прямого измерения образования поляронов. Сегодня они сообщили о своих открытиях в журнале Nature Materials.
«Эти материалы штурмом взяли сферу исследований солнечной энергии из-за их высокой эффективности и низкой стоимости, но люди до сих пор спорят, почему они работают», – сказал Аарон Линденберг, исследователь из Стэнфордского института материаловедения и энергетики (SIMES). в SLAC и доцент в Стэнфорде, который руководил исследованием.
«Идея о том, что поляроны могут быть задействованы, существует уже несколько лет», – сказал он. "Но наши эксперименты являются первыми, кто непосредственно наблюдает формирование этих локальных искажений, включая их размер, форму и то, как они развиваются."
Захватывающий, сложный и трудный для понимания
Перовскиты – это кристаллические материалы, названные в честь минерала перовскита, который имеет аналогичную атомную структуру.
Ученые начали использовать их в солнечных элементах около десяти лет назад, и эффективность этих элементов в преобразовании солнечного света в энергию неуклонно возрастала, несмотря на то, что их перовскитные компоненты имеют множество дефектов, которые должны препятствовать прохождению тока.
По словам Линденберга, эти материалы очень сложны и трудны для понимания. Хотя ученые находят их интересными, потому что они эффективны и просты в изготовлении, что повышает вероятность того, что они могут сделать солнечные элементы дешевле, чем сегодняшние кремниевые элементы, они также очень нестабильны, ломаются при контакте с воздухом и содержат свинец, который необходимо сохранять. вне окружающей среды.
Предыдущие исследования в SLAC изучали природу перовскитов с помощью «электронной камеры» или рентгеновских лучей.
Среди прочего, они обнаружили, что свет вращает атомы в перовските, а также измерили время жизни акустических фононов – звуковых волн, которые переносят тепло через материалы.
Для этого исследования команда Линденберга использовала лабораторный линейный источник когерентного света (LCLS), мощный рентгеновский лазер на свободных электронах, который может отображать материалы с детализацией, близкой к атомной, и фиксировать движения атомов, происходящие с миллионными долями миллиардной доли секунды.
Они посмотрели на монокристаллы материала, синтезированного группой доцента Хемамалы Карунадасы в Стэнфорде.
Они поразили небольшой образец материала светом оптического лазера, а затем использовали рентгеновский лазер, чтобы наблюдать, как материал реагирует в течение десятков триллионных долей секунды.
Расширяющиеся пузыри искажения
«Когда вы помещаете заряд в материал, ударяя по нему светом, как это происходит в солнечном элементе, электроны высвобождаются, и эти свободные электроны начинают двигаться вокруг материала», – сказал Бурак Гузельтурк, ученый из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США. который был постдокторантом в Стэнфорде во время экспериментов.
«Вскоре они окружены и охвачены своего рода пузырем локальных искажений – поляроном, который движется вместе с ними», – сказал он. «Некоторые люди утверждали, что этот« пузырь »защищает электроны от рассеивания дефектов в материале и помогает объяснить, почему они так эффективно перемещаются к контакту солнечного элемента, чтобы вытекать из него в виде электричества."
Гибридная решетчатая структура перовскита гибкая и мягкая – как «странная комбинация твердого тела и жидкости одновременно», как выразился Линденберг, – и это то, что позволяет поляронам образовываться и расти.
Их наблюдения показали, что поляронные искажения начинаются очень маленькими – в масштабе нескольких ангстрем, примерно на расстоянии между атомами в твердом теле – и быстро расширяются во всех направлениях до диаметра около 5 миллиардных долей метра, что составляет около 50-кратное увеличение. Это сдвигает около 10 слоев атомов немного наружу в пределах примерно сферической области в течение десятков пикосекунд, или триллионных долей секунды.
"Это искажение на самом деле довольно велико, чего мы не знали раньше", – сказал Линденберг. "Это что-то совершенно неожиданное."
Он добавил: «Хотя этот эксперимент максимально прямо показывает, что эти объекты действительно существуют, он не показывает, как они влияют на эффективность солнечного элемента. Еще предстоит проделать дополнительную работу, чтобы понять, как эти процессы влияют на свойства этих материалов."