科学家在具有分裂性质的材料中寻找太阳能线索

世界各地的科学家和工程师正在寻找新一代高效,低成本且易于加工的太阳能电池。为了理解这种太阳能电池的材料如何吸收光并将其转化为电能,研究人员需要理解原子和电子尺度的多维物理过程。

在最近的一项研究中,美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的研究人员进行了一项新型实验,揭示了有关能量如何在甲基铵碘化铅中移动的重要新见解,这是一种有前景的钙钛矿晶体材料,引起了太阳能的浓厚兴趣。研究人员。

在原子水平上,甲基铵碘化铅具有一定的非典型性质,因为它由两个不同的亚结构组成,这些亚结构在纳米级别相互渗透。第一种是有机甲基铵离子,只有轻原子,可以在高能量下振动。第二种碘化铅比较重,只能在低能量下振动。这些不同组分的潜在相互作用已成为争论的主题,并成为有利电子特性的潜在来源。

在实验中,阿贡研究人员使用红外激光脉冲选择性地仅激发晶格中的甲基铵离子,然后试图了解这些原子如何将其能量转移到无机碘化铅中。

“我们惊讶地发现振动能量从晶格的一部分移动到另一部分需要一纳秒,”阿贡纳米科学家理查德沙勒说。“虽然这看起来可能不是很长的时间对于我们每天都会遇到,当涉及到原子和晶格动力学的时间尺度,这是一种特别缓慢的过程。”

虽然有机和无机分子非常接近对方,研究人员注意到,甲铵分子倾向于留“直接发送自己的能量给碘化铅子格之前热”相当长的一段时间。Schaller说,这一发现显示了材料中明显的非平衡能量分布。

根据Argonne纳米科学家Maria Chan的说法,甲基铵分子的振动行为表明它们可能不像科学家之前认为的那样在材料的整体性能中发挥重要作用。

“这些有机分子似乎或多或少地作为一种电荷平衡间隔材料,用于晶格的其余部分生长,”Chan解释说。“如果我们已经看到在两种材料之间的振动模式的更强的耦合,它会建议有机分子发挥更大的作用。”

作为开发新类别太阳能材料的尝试的一部分,科学家们采用有机 - 无机杂化材料,如甲基铵碘化铅,并改变有机成分或用第二种无机成分代替。“这些材料的无机成分极力向他们非凡的性能作出贡献,说:”阿贡恩里科费尔米命名的博士后研究员李培军郭,该研究的第一作者。

除了甲基铵碘化铅的实验激发外,研究人员还使用密度泛函理论进行了计算模拟,以检验不同分子的激发振动模式。“从本质上讲,我们想看看需要多长时间在这种非典型的物质发生振动的耦合,”阿贡国家实验室博士后研究员表示阿伦Mannodi-Kanakkithodi。“高频有机模式耦合到所述无机模式前改变为其它模式。”

尽管有机和无机亚晶格之间的延迟耦合可能表明有机分子的重要性降低,但是存在有机离子可以有助于整个材料的光电性质的其他方式。基本上,每个有机分子中的电荷偶极子可以在特定方向上取向,筛选将在太阳能电池内产生的光激发电子。

“光激发电子 - 空穴对的寿命需要在太阳能电池中很长,以便我们收获电荷以产生电流;电介质筛选可以延长这些寿命,“沙勒说。

基于这项研究的一篇文章,“甲铵碘化铅的红外泵电子探针揭示了电子分离有机和无机子格”出现在一月29日自然沟通的网上发行。

其他Argonne的作者包括Yi Xia,Benjamin Diroll,Mercouri Kanatzidis,Gary Wiederrecht和Duyen Cao。北伊利诺伊大学和西北大学的研究人员也做出了贡献。

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