Neutronspridning har avslöjat, i realtid, de grundläggande mekanismerna bakom omvandling av solljus till energi i hybridperovskitmaterial. En bättre förståelse av detta beteende gör det möjligt för tillverkare att designa solceller med ökad effektivitet.

Det multiinstitutionella teamet av forskare från Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, Hunan University och University of Nebraska-Lincoln använde fotoluminescensmätningar, tillsammans med neutron- och röntgenspridning, att studera sambandet mellan materialets mikroskopiska struktur och dess optoelektroniska egenskaper. Genom att undersöka materialet under olika temperaturgrader, forskarna kunde spåra atomära strukturförändringar och fastställa hur vätebindning spelar en nyckelroll i materialets prestanda. Deras resultat publiceras i tidskriften Avancerade material .

Hybridperovskiter håller löfte om att vara mer effektiva vid omvandling av ljus till energi än traditionella solcellsmaterial. De är också lättare att tillverka eftersom de kan spinngjutas från lösning och inte kräver högvakuumkammare för syntes.

Till skillnad från deras enstaka kisel- eller germanium -motsvarigheter, hybridperovskiter är gjorda av både organiska och oorganiska molekyler. Strukturen är byggd av oorganiska bly- och brommolekyler arrangerade i oktaedriska enheter som bildar burar runt de organiska metylammoniumkatjonerna (positivt laddade joner) bestående av kol, kväve och väte.

"Fördelen med att ha både organiska och oorganiska molekyler i en väldefinierad kristallstruktur innebär att vi kan skräddarsy materialet genom att justera antingen den ena eller den andra gruppen för att optimera egenskaperna, "sa Kai Xiao, en forskare vid ORNL:s Center for Nanophase Materials Sciences. "Men även om forskare har studerat dessa material i flera år, vi förstår fortfarande inte helt på en grundläggande nivå hur de organiska komponenterna påverkar egenskaperna. "

Att hitta rätt kombination och molekylär orientering av de organiska/oorganiska komponenterna är nyckeln till att låsa upp mer funktionalitet, men att förstå dessa interaktioner kräver rätt verktyg.

"Neutroner är mycket bra på detta eftersom de är känsliga för lättare element som väte, "sa ORNL -instrumentforskaren Xiaoping Wang." Eftersom vi kan spåra varje neutron, vi får information om saker som var atomerna är, vad deras temperatur är, och hur de beter sig. "

Med hjälp av TOPAZ -instrumentet vid ORNL:s Spallation Neutron Source, laget kunde observera vätebindningsinteraktionerna i atomskala.

Experimentet avslöjade att materialet genomgår betydande strukturella förändringar mellan cirka 150 och 130 Kelvin (ungefär -190 och -225 grader Fahrenheit). Kylning av materialet bromsade rörelsen av den organiska komponenten till ett ordnat tillstånd, där exakta in situ-mätningar gjordes i realtid för att observera exakt hur de organiska molekylerna bindade till bly-bromkomponenten genom vätebindningar.

"Vi såg att beställningen är direkt relaterad till vätebindningen i strukturen, och hur eventuella förändringar kan påverka materialgapet i materialet, "sa Wang." Det låter oss veta hur väl solljuset absorberas och vad det kan innebära när det gäller applikationer för solcellsmaterial. "

Kompletterande fotoluminescens- och röntgenspridningsmätningar, tillsammans med kristallsyntes, genomfördes vid CNMS. Teoretiska beräkningar utfördes av forskare inom ORNL:s materialvetenskapliga och tekniska avdelning.

"Hybridperovskiter är redan ett bra material, "sa Xiao." Nu när vi vet hur de organiska molekylernas orientering påverkar kristallstrukturen, och hur vi kan justera dem ytterligare för att ändra önskade egenskaper, denna nya grundläggande förståelse kommer att göra det möjligt för oss att designa nya material med ännu större potential. "