När en solcell absorberar en foton av ljus, det startar en elektronisk kapplöpning mot tiden. Två partiklar - en negativt laddad elektron och ett positivt laddat "hål" - genererar elektricitet om de separeras helt.

Dock, när dessa partiklar blir fångade i ett solmaterial innan de kan separeras helt, det kan minska materialets förmåga att omvandla ljus till elektricitet.

Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory har publicerat en ny studie som identifierar processen genom vilken hål fastnar i nanopartiklar gjorda av zinkoxid, ett material av potentiellt intresse för soltillämpningar eftersom det absorberar ultraviolett ljus.

"Om du gör en solcell, du vill undvika att fånga hål; men om du gör en fotokatalysator, du vill fånga dem." — röntgenforskare Christopher Milne från schweiziska Paul Scherrer-institutet.

Med hjälp av röntgenstrålar producerade av Argonnes Advanced Photon Source (APS), forskarna kunde se fångst av hål i specifika områden av nanopartikeln. Detta är ett anmärkningsvärt framsteg, eftersom tidigare experiment kunde detektera migration och fångst av elektroner men inte hål.

Enligt Stephen Southworth, en författare till studien, vissa har övervägt zinkoxid som ett möjligt alternativ till titandioxid, det vanligaste solcellsmaterialet. Att förstå hålfångningsbeteendet är nödvändigt för att utvärdera materialets livsduglighet i solenergitillämpningar, han sa.

Även om hålfångning försämrar prestandan hos solcellsapparater, det kan förbättra zinkoxidens förmåga att fungera som fotokatalysator, eftersom positiva laddningar lagrade i fällorna i materialet kan fortsätta att fungera som deltagare i kemiska reaktioner.

"Om du gör en solcell, du vill undvika att fånga hål; men om du gör en fotokatalysator, du vill fånga dem, " sa projektledaren Christopher Milne, en röntgenforskare vid Paul Scherrer-institutet i Schweiz. "Oavsett, Att förstå hur dessa atomer fastnar – och hur länge – är avgörande för att göra funktionella material som omvandlar ljus till användbar energi."

Forskarna fastställde att hålen fastnade i "syrevakanser" - platser inom kristallgittret där en syreatom saknas. Zinkoxid, Milne sa, har en kristallin struktur som gör att den kan ha många av dessa vakanser. Fångsten sker på grund av att vakanserna har en lägre energinivå än den omgivande miljön, skapar en energisk spricka för passerande hål.

För att göra sina mätningar, forskarna kombinerade två olika röntgentekniker:röntgenabsorptionsspektroskopi och resonansröntgenemissionsspektroskopi. "Att kombinera dessa tekniker är unikt möjligt med den installation vi har på APS, ger oss en vy som visar oss både atomgeometrin och materialets elektroniska struktur, " sa Argonne röntgenfysiker Gilles Doumy, en författare till studien, som använde 7ID-D strållinjen vid APS.

"APS var en av de enda platserna i världen vi kunde ha gjort det här experimentet. Det var ett mycket givande samarbete, " sa Milne. APS är en DOE Office of Science User Facility.

Forskarna indikerade att framtida studier av systemet skulle kunna dra nytta av att ha förmågan att ta extremt snabba ögonblicksbilder av fångstbeteendet. Ett sådant experiment skulle kunna utföras vid röntgenfria elektronlaseranläggningar som SLAC:s Linac Coherent Light Source, också en DOE Office of Science User Facility.

"Väsentligen, vi vill se samma process men har förmågan att ta bilder tusen gånger snabbare, sa Southworth.

"Materialets funktionalitet kommer alltid att bero på hur beteende vid tidiga tidpunkter i processen påverkar beteendet vid senare och längre tider, " tillade Doumy. "Vi behöver båda bilderna för en heltäckande förståelse."

En artikel baserad på forskningen, "Avslöjar hålfångning i zinkoxidnanopartiklar genom tidsupplöst röntgenspektroskopi, " dök upp i onlinenumret den 2 februari av Naturkommunikation .