晶体中的类液体运动可以解释其在太阳能电池中的行为

太阳在一小时内向地球传递的能量超过了人类全年所消耗的能量。全球科学家正在寻找可以经济高效地捕获这种无碳能源并将其转化为电能的材料。钙钛矿是一类具有独特晶体结构的材料，可以取代当前的太阳能收集技术。它们比当前太阳能电池中使用的材料便宜，并且它们具有出色的光伏性能-使其能够非常有效地将阳光转化为电能。

在原子尺度上揭示钙钛矿的性质对于理解其有前途的功能至关重要。这种见解可以帮助模型确定用于太阳能电池的钙钛矿材料的最佳组成，该钙钛矿材料可用于为车辆，电子设备甚至家庭供暖设备和其他电器提供动力。

能源部(DOE)阿尔贡国家实验室的科学家与杜克大学橡树岭国家实验室以及其他合作者一起参加了由杜克大学领导的合作，以使用世界一流的X射线研究钙钛矿材料的内部工作原理Argonne的散射能力和Oak Ridge的中子散射能力。散射能力使科学家能够在原子尺度上观察材料的行为，该研究表明钙钛矿中类似液体的运动可以解释它们如何有效地产生电流。

杜克大学的首席科学家奥利维尔·德莱尔(Olivier Delaire)说：“这些材料引起了很多兴奋，但我们还不完全理解为什么它们是这么好的光伏材料。”

当光撞击光伏材料时，它会激发电子，促使它们从原子中弹出并穿过该材料，从而导电。一个普遍的问题是，被激发的电子可以与原子复合，而不是通过材料行进，这会相对于撞击材料的阳光量显着减少产生的电。

“钙钛矿在防止重组方面做得很好，”阿贡大学的雷·奥斯伯恩(Ray Osborn)说。“我们想知道造成这种情况的原因是什么，以及是否可以从中学习以制造出更好的太阳能电池。”

研究小组研究了最简单的钙钛矿之一，即铯，铅和溴的化合物(CsPbBr 3)，以了解原子级原子正在发生什么。

利用能源部科学实验室用户实验室先进光子源的Argonne磁性材料小组的光束线(6-ID-D)的X射线散射功能，该团队捕获了不同温度下钙钛矿晶体中原子的平均位置。他们发现，每个铅原子及其周围的溴原子笼都形成了行为类似于分子的刚性单元。这些单元以类似液体的方式振荡或来回摆动。

德莱尔说：“这种材料中的分子绕着其他分子旋转，就像它们被铰接在一起一样，围绕着铰链，这些分子表现得像软盘一样。”

解释钙钛矿如何抵抗复合的一种理论是，晶格或晶体结构中的这些变形在自由电子穿过材料时会跟随自由电子。电子可能会使晶格变形，从而引起类似液体的干扰，从而阻止它们回落到其主体原子中。这一理论得到了新的实验结果的支持，可以为如何设计用于太阳能电池的最佳钙钛矿材料提供新的见解。

数据还表明，材料中的分子在二维平面内振荡，没有在平面上运动–类似于狂欢节骑行，它只左右摆动，而从不前后摆动。晶体畸变的二维性质可能是解释钙钛矿如何防止电子复合并提高材料效率的另一难题。

奥斯本认为，从未见过X射线散射数据中的二维图案。他说：“基于这些出乎意料的测量结果，我们不仅希望查看平均原子位置，而且希望了解原子如何实时移动，从而进行更深的挖掘。”

为了直接研究原子的运动，研究小组在橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的DOE科学办公室用户设施Spallation Neutron Source中使用了中子散射功能。阿贡大学材料科学系和西北大学的研究人员种植了中子测量所需的厘米级大型晶体。

中子散射证实了在X射线散射实验中看到的无法预料的模式，但另外表明，分子在二维中振荡几乎不需要能量。这有助于解释为什么受激电子可以很容易地使晶格变形。

参与这两组测量的奥斯本说：“这项工作是中子和X射线互补性揭示复杂材料的结构和动力学的一个很好的例子。”

这项研究是朝着充分利用尚未开发的，来自太阳的可再生能源迈出的一步，这可能对环境和经济产生重大影响。