导读:利用美国能源部的实验室,科学家们在原子水平上了解到钙钛矿中的类似液体的运动可以解释它们如何有效地产生电流。


科学家研究了钙钛矿材料的内部工作原理,以更好地了解该材料在原子尺度上的行为。他们的工作表明钙钛矿中类似液体的运动可以解释它们如何有效地产生电流。

新研究观察到钙钛矿材料在原子尺度上的行为 助力提高电池效率

科学家们解释说,当光照射到光伏材料上时,它会激发电子,促使它们“跳出”自己的原子,在材料中移动,从而导电。一个问题是,被激发的电子可以与原子重新结合,而不是通过材料。这可以减少相对于照射到材料上的阳光量产生的电量。


科学家们说,钙钛矿在阻止这种重组方面做得很好。他们的工作旨在揭示导致这一现象的机理,以及如何开发更高效的太阳能电池。杜克大学领导了这项工作,包括美国能源部阿贡国家实验室和橡树岭国家实验室的科学家。


研究小组研究了最简单的钙钛矿之一,一种由铯、铅和溴组成的化合物(CsPbBr3)。然后,他们在阿贡磁性材料小组的光束线上使用了x射线散射能力。

新研究观察到钙钛矿材料在原子尺度上的行为 助力提高电池效率

研究小组捕获了钙钛矿晶体中原子在不同温度下的平均位置。他们发现,每个铅原子及其周围的溴原子笼形成了具有分子性质的刚性单位。特别是,这些单位以类似液体的方式振荡。


解释钙钛矿如何抵抗复合的一种理论是,晶格或晶体结构中的这些变形在自由电子穿过材料时跟随着自由电子。电子可能会使晶格变形,从而引起类似液体的干扰,从而阻止了它们回落到其主体原子中。研究人员说,这一理论可能为如何设计用于太阳能电池的最佳钙钛矿材料提供新的见解。


数据还表明,材料中的分子在二维平面内振荡,并且没有在平面上运动。这种二维性质也可以帮助解释钙钛矿如何防止电子复合,从而提高了材料的效率。


为了直接研究原子的运动,研究小组使用了橡树岭国家实验室的中子散射能力。中子散射证实了在X射线散射实验中看到的模式。它也表明分子几乎不需要能量就可以在两个维度上振荡。研究人员说,这有助于解释为什么激发的电子会如此容易地使晶格变形。


3月,《自然材料》上发表了一篇关于该研究的论文,即““Two-dimensional overdamped fluctuations of the soft perovskite lattice in CsPbBr3”。支持该实验的计算研究是在伯克利国家实验室的国家能源研究科学计算中心进行的。这项研究是由美国能源部基础能源科学,材料科学与工程部门的办公室资助的。


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