太阳在一小时内提供给地球的能量比人类一整年消耗的还要多。世界各地的科学家们正在寻找能够经济有效地捕获这种无碳能源并将其转化为电能的材料。


过氧化物,一类具有独特晶体结构的材料,可以超越目前的太阳能收集技术。它们比目前的太阳能电池所使用的材料更便宜,而且它们已经显示出显著的光伏特性--这种行为使它们能够非常有效地将太阳光转化为电能。

实验揭示过氧化物太阳能电池中晶体的液态运动如何有效产生电流

揭示过氧化物在原子尺度上的性质对于理解其有前途的能力至关重要。这种洞察力可以帮助为模型提供信息,以确定用于太阳能电池的过氧化物材料的最佳构成,这可用于为车辆、电子设备、甚至家庭加热和其他电器提供动力。


美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的科学家们参加了由杜克大学领导的一项合作,与DOE的橡树岭国家实验室和其他合作者一起,利用阿贡的世界级X射线散射能力和橡树岭的中子散射能力,研究了一种过氧化物材料的内部运作。散射能力使科学家们能够在原子尺度上观察该材料的行为,该研究显示,过氧化物中类似液体的运动可能解释了它们如何有效地产生电流。


这项研究的首席科学家、杜克大学的Olivier Delaire说:"围绕这些材料有很多兴奋点,但我们并不完全了解它们为什么是如此好的光伏材料。"


当光线照射到光伏材料上时,它会激发电子,促使它们从原子中跳出来,穿过材料,进行导电。一个常见的问题是,受激电子可以与原子重新结合,而不是穿过材料,这可能会大大降低相对于照射到材料上的阳光量所产生的电力。


阿贡的Ray Osborn说:"过氧化物在防止重组方面做得很好。我们想知道是什么机制造成的,以及我们是否可以从中学习,以创造更好的太阳能电池。"


该团队研究了最简单的过氧化物之一--铯、铅和溴的化合物(CsPbBr3),以弄清在原子尺度上发生了什么。

实验揭示过氧化物太阳能电池中晶体的液态运动如何有效产生电流

实验中使用的CsPbBr3过氧化物晶体。阿贡材料科学部和西北大学的研究人员培育出了中子测量所需的大型、厘米级晶体。

利用阿贡磁性材料小组在该实验室高级光子源(DOE科学办公室用户设施)的光束线(6-ID-D)上的X射线散射能力,该小组捕获了不同温度下过氧化物晶体中原子的平均位置。他们发现,每个铅原子及其周围的溴原子笼形成的刚性单元表现得像分子。这些单元以一种类似液体的方式来回摆动--或者说来回抖动。


德莱尔说:"这种材料中的分子围绕其他分子旋转,就像它们被铰链连接在一起,而在铰链周围,分子表现得有点软弱。"


解释过氧化物如何抵制重组的一个理论是,晶格或晶体结构的这些扭曲在自由电子穿越材料时跟随它们。电子可能会使晶格变形,造成类似液体的扰动,然后阻止它们落回其宿主原子中。这一理论得到了新的实验结果的支持,可以为如何设计太阳能电池的最佳过氧化物材料提供新的见解。


数据还表明,该材料中的分子在二维平面内摆动,没有跨平面的运动--类似于一个只从左到右摆动,但从不从前到后摆动的狂欢节游乐设施。晶体扭曲的二维性质可能是解释过氧化物如何能够防止电子重组的又一个难题,有助于提高材料的效率。

实验揭示过氧化物太阳能电池中晶体的液态运动如何有效产生电流

用阿贡高级光子源的X射线(上半部)和橡树岭的辐照中子源的中子测量的漫散射数据。二维波动随着温度从60℃(左)提高到160℃(右)而增长。

据Osborn说,X射线散射数据中的二维模式从未被看到过。他说:"基于这些出乎意料的测量结果,我们想通过不仅观察平均原子位置,而且观察原子如何实时移动来更深入地挖掘。”


为了直接研究原子的运动,研究小组使用了辐照中子源的中子散射能力,这是美国能源部科学办公室在橡树岭国家实验室的一个用户设施。阿贡材料科学部和西北大学的研究人员生长了中子测量所需的大型厘米级晶体。


中子散射证实了在X射线散射实验中看到的未预见到的模式,但也表明,分子在两个维度上振荡几乎不需要任何能量。这有助于解释为什么受激电子可以如此容易地使晶格变形。


参与这两组测量的Osborn说:"这项工作是中子和X射线在揭示复杂材料的结构和动力学方面的互补性的一个完美例子。"


这项研究代表着向充分利用来自太阳的基本未开发的可再生能源迈出了一步,这可能对环境和经济产生重大影响。


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