Polaroner är flyktiga förvrängningar i ett material atomgitter som bildas runt en rörlig elektron på några biljondelar av en sekund, försvinner sedan snabbt. Hur tillfälliga de än är, de påverkar ett materials beteende, och kan till och med vara anledningen till att solceller gjorda med blyhybridperovskiter uppnår extraordinärt hög effektivitet i labbet.

Nu har forskare vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University använt labbets röntgenlaser för att se och direkt mäta bildandet av polaroner för första gången. De rapporterade sina fynd i Naturmaterial i dag.

"Dessa material har tagit området för solenergiforskning med storm på grund av deras höga effektivitet och låga kostnad, men folk grälar fortfarande om varför de jobbar, sa Aaron Lindenberg, en utredare vid Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) vid SLAC och docent vid Stanford som ledde forskningen.

"Tanken att polaroner kan vara inblandade har funnits i ett antal år, " sa han. "Men våra experiment är de första som direkt observerar bildandet av dessa lokala förvrängningar, inklusive deras storlek, form och hur de utvecklas."

Spännande, komplex och svår att förstå

Perovskiter är kristallina material uppkallade efter mineralet perovskit, som har en liknande atomstruktur. Forskare började införliva dem i solceller för ungefär ett decennium sedan, och effektiviteten hos dessa celler när det gäller att omvandla solljus till energi har stadigt ökat, trots att deras perovskitkomponenter har många defekter som borde hämma strömflödet.

Dessa material är berömt komplexa och svåra att förstå, sa Lindenberg. Även om forskarna tycker att de är spännande eftersom de är både effektiva och lätta att göra, höjer möjligheten att de skulle kunna göra solceller billigare än dagens kiselceller, de är också mycket instabila, brytas ner när de utsätts för luft och innehåller bly som måste hållas utanför miljön.

Tidigare studier vid SLAC har fördjupat sig i perovskites natur med en "elektronkamera" eller med röntgenstrålar. Bland annat, de avslöjade att ljus virvlar runt atomer i perovskiter, och de mätte också livslängden för akustiska fononer – ljudvågor – som transporterar värme genom materialen.

För denna studie, Lindenbergs team använde labbets Linac Coherent Light Source (LCLS), en kraftfull röntgen-frielektronlaser som kan avbilda material i nära atomär detalj och fånga atomrörelser som sker på miljondelar av en miljarddels sekund. De tittade på enkristaller av materialet som syntetiserats av docent Hemamala Karunadasas grupp vid Stanford.

De träffade ett litet prov av materialet med ljus från en optisk laser och använde sedan röntgenlasern för att observera hur materialet reagerade under loppet av tiotals biljondelar av en sekund.

Expanderande bubblor av distorsion

"När du lägger en laddning i ett material genom att slå det med ljus, som vad som händer i en solcell, elektroner frigörs, och de fria elektronerna börjar röra sig runt materialet, sa Burak Guzelturk, en forskare vid DOE:s Argonne National Laboratory som var postdoktor vid Stanford vid tiden för experimenten.

"Snart är de omgivna och uppslukade av en slags bubbla av lokal förvrängning - polaronen - som färdas tillsammans med dem, " sa han. "Vissa människor har hävdat att denna "bubbla" skyddar elektroner från att sprida bort defekter i materialet, och hjälper till att förklara varför de reser så effektivt till solcellens kontakt för att flöda ut som elektricitet."

Hybridstrukturen perovskitgitter är flexibel och mjuk - som "en konstig kombination av ett fast ämne och en vätska samtidigt, " som Lindenberg uttrycker det - och det är detta som gör att polaroner kan bildas och växa.

Deras observationer avslöjade att polaroniska snedvridningar börjar mycket små - på skalan av några ångström, om avståndet mellan atomer i ett fast ämne – och expanderar snabbt utåt i alla riktningar till en diameter av cirka 5 miljarddelar av en meter, vilket är ungefär en 50-faldig ökning. Detta knuffar cirka 10 lager av atomer något utåt inom ett ungefär sfäriskt område under loppet av tiotals pikosekunder, eller billioner av en sekund.

"Denna förvrängning är faktiskt ganska stor, något vi inte visste tidigare, sa Lindenberg. Det är något helt oväntat.

Han lade till, "Medan detta experiment visar så direkt som möjligt att dessa objekt verkligen existerar, den visar inte hur de bidrar till en solcells effektivitet. Det finns ytterligare arbete att göra för att förstå hur dessa processer påverkar egenskaperna hos dessa material."