Illustration av perovskitens kristallstruktur. Molekylerna roterar runt sina gångjärn i två dimensioner, vilket skulle kunna förklara materialets solcellsförmågor. Kredit:Jill Hemman, Oak Ridge National Laboratory.
Solen levererar mer energi till jorden på en timme än vad mänskligheten förbrukar under ett helt år. Forskare världen över letar efter material som kostnadseffektivt och effektivt kan fånga denna kolfria energi och omvandla den till elektricitet.
Perovskites, en klass av material med en unik kristallstruktur, skulle kunna gå om nuvarande teknik för solenergiskörd. De är billigare än material som används i nuvarande solceller, och de har visat på anmärkningsvärda fotovoltaiska egenskaper - beteende som gör att de mycket effektivt kan omvandla solljus till elektricitet.
Att avslöja perovskiternas natur på atomär skala är avgörande för att förstå deras lovande förmågor. Denna insikt kan hjälpa modeller att bestämma den optimala sammansättningen av perovskitmaterial för solceller, som kan användas för att driva fordon, elektroniska apparater och till och med hemuppvärmning och andra apparater.
Forskare vid U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory deltog i ett samarbete ledd av Duke University, tillsammans med DOE:s Oak Ridge National Laboratory och andra samarbetspartners, att studera det inre funktionen hos ett perovskitmaterial med hjälp av röntgenspridningskapaciteten i världsklass vid Argonne och neutronspridningskapaciteten vid Oak Ridge. Spridningsförmågan gjorde det möjligt för forskarna att observera materialets beteende på atomär skala, och studien visade att vätskeliknande rörelse i perovskiter kan förklara hur de effektivt producerar elektriska strömmar.
"Det är mycket spänning kring dessa material, men vi förstår inte helt varför de är så bra solceller, " sa Duke Universitys Olivier Delaire, ledande forskare på studien.
CsPbBr 3 perovskitkristall som användes i experimenten. Forskare vid Argonnes Materials Science-avdelning och Northwestern University växte de stora, kristaller i centimeterskala som krävs för neutronmätningarna. Kredit:Argonne National Laboratory.
När ljus träffar ett solcellsmaterial, det exciterar elektroner, får dem att hoppa ut ur sina atomer och resa genom materialet, leder elektricitet. Ett vanligt problem är att de upphetsade elektronerna kan rekombinera med atomerna istället för att resa genom materialet, vilket avsevärt kan minska den producerade elektriciteten i förhållande till mängden solljus som träffar materialet.
"Perovskites är bra på att förhindra rekombination, "sade Argonnes Ray Osborn." Vi vill veta vilken mekanism som orsakar detta och om vi kan lära oss av detta för att skapa bättre solceller. "
Teamet studerade en av de enklaste perovskiterna - en förening av cesium, bly och brom (CsPbBr 3 )—för att ta reda på vad som händer på atomär skala.
Genom att använda röntgenspridningsfunktioner vid Argonnes Magnetic Materials-grupps strållinje (6-ID-D) vid labbets avancerade fotonkälla, en användaranläggning för DOE Office of Science, teamet fångade de genomsnittliga positionerna för atomerna i en perovskitkristall vid olika temperaturer. De fann att varje blyatom och dess omgivande bur av bromatomer bildar stela enheter som beter sig som molekyler. Dessa enheter svänger – eller vippar fram och tillbaka – på ett vätskeliknande sätt.
"Molekylerna i det här materialet roterar runt de andra molekylerna som om de är gångjärn ihop, och runt gångjärnen, molekylerna verkar lite disketterade, sa Delaire.
En teori för att förklara hur perovskiter motstår rekombination är att dessa snedvridningar i gallret, eller kristallstruktur, Följ de fria elektronerna när de korsar materialet. Elektronerna kan deformera gittret, orsakar vätskeliknande störningar, som sedan hindrar dem från att falla tillbaka i sina värdatomer. Denna teori, vilket förstärks av de nya experimentella resultaten, kan ge nya insikter i hur man designar optimala perovskitmaterial för solceller.
Data från diffus spridning uppmätt med röntgenstrålar vid Argonnes avancerade fotonkälla (övre halvan) och neutroner vid spallationsneutronkällan vid Oak Ridge. Tvådimensionella fluktuationer växer när temperaturen höjs från 60°C (vänster) till 160°C (höger). Kredit:Argonne National Laboratory.
Data indikerar också att molekyler i materialet svänger inom tvådimensionella plan, utan rörelse över planen – liknar en karnevalstur som bara svänger från vänster till höger, men aldrig framifrån mot baksida. Den tvådimensionella karaktären hos kristallförvrängningarna kan vara ytterligare en pusselbit för att förklara hur perovskiten kan förhindra elektronrekombination, bidrar till materialets effektivitet.
Enligt Osborn, de tvådimensionella mönstren i röntgenspridningsdata hade aldrig setts. "Baserat på dessa oväntade mätningar, vi ville gräva ännu djupare genom att inte bara titta på genomsnittliga atompositioner, men hur atomerna rör sig i realtid, " han sa.
För att direkt undersöka atomernas rörelse, teamet använde neutronspridningskapacitet vid Spallation Neutron Source, en DOE Office of Science-användaranläggning vid Oak Ridge National Laboratory. Forskare vid Argonnes Materials Science-avdelning och Northwestern University växte de stora, kristaller i centimeterskala som krävs för neutronmätningarna.
Neutronspridningen bekräftade det oförutsedda mönstret som sågs i röntgenspridningsexperimentet, men visade, dessutom, att det nästan inte krävs någon energi för att molekylerna ska svänga i två dimensioner. Detta hjälper till att förklara varför de exciterade elektronerna kan deformera gittret så lätt.
"Detta arbete är ett vackert exempel på komplementariteten hos neutroner och röntgenstrålar när det gäller att avslöja både strukturen och dynamiken hos komplexa material, sa Osborn, som var involverad i båda mätningarna.
Studien representerar ett steg mot att dra full nytta av den i stort sett outnyttjade förnybara energin från solen, som kan ha betydande inverkan på både miljön och ekonomin.
