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一窥钙钛矿中极化子

2021/1/18 10:16:31      材料来源:compoundsemiconductor

  
 
短暂的干扰可能有助于解释为什么混合铅钙钛矿可以在太阳能电池中特别擅长将太阳光转化为电流
  
  极化子在材料的原子晶格中稍纵即逝地畸变,在几万亿分之一秒内围绕一个运动电子形成,然后迅速消失。尽管它们只是暂时的,但它们影响了材料的性能,甚至可能是铅混合钙钛矿制成的太阳能电池在实验室中达到超高效率的原因。
  
  目前,美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的科学家首次利用实验室的X射线激光观察和直接测量极化子的形成。他们在Nature Materials中报道了这一发现。
  
  SLAC斯坦福材料与能源科学研究所( SIMES )的调查员、领导该项研究的斯坦福大学副教授Aaron Lindenberg 说,“由于这些材料的高效率和低成本,它们已经席卷了太阳能研究领域,但人们仍在争论为什么起作用。”
  
  有关极化子可能参与其中的设想已经存在多年了。但我们的实验是第一个直接观察这些局部畸变的形成过程,包括它们的大小、形状以及如何演化。"
  
  复杂且难以理解 
 
  钙钛矿以复杂且难以理解著称。它们既高效又易于制造,这也使得太阳能电池的制作成本可能比硅电池更低,但钙钛矿也具有高度的不稳定性,暴露于空气中时会发生分解,钙钛矿含铅,因此必须远离环境。
  
  SLAC先前的研究已经通过电子摄像仪或X射线束研究了钙钛矿的性质。除此之外,他们揭示了光在钙钛矿中围绕着原子旋转,同时他们还测量了携带热量通过材料的声子(声波)的寿命。
  
  对于这项研究,Lindenberg的团队使用了实验室的Linac相干光源(LCLS),这是一种功能强大的X射线自由电子激光器,可以对接近原子的细节成像,并捕获发生在十亿分之一秒的百万分之一中的原子运动。他们研究了斯坦福大学Hemamala Karunadasa小组合成的材料单晶。
  
  他们用光学激光器发出的光击中一小块材料样本,然后使用X射线激光观察该材料在数十万亿分之一秒内是如何响应的。
  
  扩大变形气泡
  
  美国能源部Argonne国家实验室的科学家、斯坦福大学博士后研究员Burak Guzelturk在实验中说:“当你用光将电荷打入材料中时,就像太阳能电池中发生的事情一样,电子被被释放,并且这些自由电子开始在材料周围移动。”
  
  Burak Guzelturk说:“很快,它们就被一种随之而来的局部变形的气泡——极化子包围并吞没了。有人争论说,这种“气泡”可以保护电子不被材料中的缺陷散射,并解释了为什么它们如此有效地传播到太阳能电池的触点并以电的形式流出。”
  
  正如Lindenberg所说,混合钙钛矿晶格结构是柔软的,就像"固体和液体同时存在的奇特组合",这就是极化子形成和生长的条件。
  
  他们的观察表明,极化子畸变开始很小,几埃,大约是固体中原子的间距,并迅速向外扩展50倍,直径达到大约50亿分之一米。在数十皮秒或万亿分之一秒的过程中,这会在大约球形区域内将大约10层原子稍微向外推。
  
  Lindenberg说:"这种扭曲其实是相当大的,这是我们以前所不知道的。完全出乎意料的事情”。
  
  他补充说:“虽然这个实验尽可能直接地表明了这些物体的存在,但是并未显示它们是如何对太阳能电池的效率做出贡献的。我们还需要做更多的工作来了解这些过程如何影响这些材料的性能。”
  
  参考文献
  
  'Visualization of dynamic polaronic strain fields in hybrid lead halide perovskites' by Burak Guzelturk et al; Nature Materials, 4 January 2021
 
 
 
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