斯坦福大学科学家阐明下一代能源材料的重要性,极化子是否是高效太阳能电池关键?

极化子(polaron)。极性晶体和离子晶体中导带的电子和与其结伴而行的晶格畸变的复合体。导带中的电子使晶格离子位移而伴生极化,其电场又反作用于电子,电子总是带着它所引起的晶格畸变一起运动。它可能是混合钙钛矿制成高效太阳能电池的关键。

能源部的SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的一组科学家首次使用X射线激光观察了极化子的形成。他们在科学杂志自然材料》中报告了他们的发现 

原子激光观测

含铅混合钙钛矿具有巨大的潜力,可以促进太阳能电池产业的发展。然而,科学家们对它们的工作原理并不一致。

斯坦福大学材料与能源科学研究所(SIMES)的研究人员亚伦·林登伯格(Aaron Lindenberg)表示:“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,但人们仍在争论它们为什么起作用。” 

发生在万亿分之一秒的极化子可能是关键:”极化子可能参与其中的想法已经存在了很多年,但该实验是第一次直接观察到这些局部扭曲的形成,包括它们的大小、形状以及它们是如何演变的。

科学家们大约在十年前开始将钙钛矿融入太阳能电池中。它们是晶体材料,以具有相似原子结构的钙钛矿矿物命名。 

这些材料非常复杂且难以理解。尽管它们不稳定并且含有有毒的铅,但它们有潜力使太阳能电池比当今的硅电池便宜。

极化子特性

在这项研究中,研究团队使用了实验室的Linac相干光源(LCLS),这是一种强大的X射线自由电子激光器,能够以近原子的细节对材料进行成像,并捕捉到万亿分之一秒发生的运动。

通过研究,他们观察到,混合型钙钛矿晶格结构是灵活而柔软的,就像 “同时是固体和液体的奇怪组合”,科学家解释说,这就是极化子形成和生长的原因。

观测结果还表明,极化子畸变开始时很小,大约是固体中原子之间的距离,并且迅速向各个方向向外扩展,占据了大约50倍的空间。

“这种扭曲实际上相当大,这是我们以前所不知道的,”研究人员说。”这是完全意想不到的事情。”

然而,尽管该实验尽可能直接地表明这些物体确实存在,但并未显示它们如何对太阳能电池的效率做出贡献的。科学家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。获取更多前沿科技信息访问:https://byteclicks.com

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