Cristale flexibile, răsucite, cheia noilor celule solare

Un contribuitor major la modul în care aceste perovskide cu halogenuri generează și transportă electricitatea depinde literalmente de modul în care rețeaua atomică octaedrică se rotește și se rotește într-un mod similar cu balamalele. Credit: ORNL / Jill Hemman

Cercetătorii arată cum formele și mișcările perovskitelor cu halogenuri creează proprietăți dorite ale energiei regenerabile.

Cercetătorii de la Universitatea Duke au descoperit dinamici moleculare ascunse de mult, care oferă proprietăți dorite pentru energia solară și aplicații ale energiei termice pentru o clasă interesantă de materiale numite halov perovskitet.

Un contribuitor major la modul în care aceste materiale generează și transportă electricitatea depinde literalmente de modul în care rețeaua lor atomică este răsucită și rotită într-un mod similar cu balamalele. Rezultatele vor ajuta oamenii de știință din materiale în încercarea lor de a adapta rețetele chimice pentru aceste materiale la o gamă largă de aplicații într-un mod ecologic.

Rezultatele apar astăzi online (15 martie 2021) în jurnal Materiale naturale.

„Există un interes larg pentru perovskitul halov pentru aplicații energetice precum fotovoltaica, termoelectricitatea, detectarea și emisia radiațiilor optoelectronice – întregul domeniu este extrem de activ”, a declarat Olivier Delaire, profesor asociat de inginerie mecanică și știința materialelor la Duke. “În timp ce înțelegem că moliciunea acestor materiale este importantă pentru proprietățile lor electronice, nimeni nu știa cu adevărat cum mișcările atomice pe care le-am descoperit ar susține aceste caracteristici.”

Perovskitele sunt o clasă de materiale care – cu combinația corectă de elemente – cresc într-o structură cristalină care le face deosebit de potrivite pentru aplicații energetice. Capacitatea lor de a absorbi lumina și de a-și transfera energia eficient îi face să fie o țintă comună pentru cercetătorii care dezvoltă noi tipuri de celule solare, de exemplu. De asemenea, sunt moi, un fel ca aurul dur poate fi ușor zimțat, ceea ce le conferă capacitatea de a tolera defectele și de a evita crăparea atunci când se face pe o peliculă subțire.

Cu toate acestea, o dimensiune nu se potrivește tuturor, deoarece există o gamă largă de rețete posibile care pot forma un perovskit. Multe dintre cele mai simple și mai studiate rețete includ un halogen – cum ar fi clorul, fluorul sau bromul – care le dă numele de halov perovskitet. În structura cristalină a perovskitelor, aceste halogenuri sunt nodurile care unesc motivele cristalului octaedric vecin.

În timp ce cercetătorii au știut că aceste puncte cheie sunt esențiale pentru crearea proprietăților unui perovskit, nimeni nu a fost capabil să analizeze modul în care permit structurilor din jurul lor să se răsucească, să se întoarcă și să se îndoaie fără a se rupe, ca o matriță Jell. se agită puternic.

„Aceste mișcări structurale sunt extrem de dificil de determinat experimental. Tehnica aleasă este împrăștierea neutronilor, care vine cu eforturi mari pentru analiza datelor și instrumentele, și foarte puține grupuri au control asupra tehnicii pe care o fac Olivier și colegii săi “, a declarat Volker Blum, profesor de inginerie mecanică și știință. în Duke care face modelarea teoretică a perovskitelor, dar nu a fost inclusă în acest studiu. “Acest lucru înseamnă că sunt capabili să detecteze proprietățile care stau la baza materialelor din perovskiteitatea care sunt altfel inaccesibile.”

În studiu, Delaire și colegii de la Laboratorul Național Argonne, Laboratorul Național Oak Ridge, Institutul Național de Știință și Tehnologie și Universitatea Northwestern, dezvăluie dinamica moleculară importantă a halogenurii de perovskită (CsPbBr3) structurate simple, investigate în mod obișnuit, pentru prima dată.

Cercetătorii au început cu un cristal mare, la scară centimetrică, de cristal de halogenură de perovskit, care este extrem de dificil să crească până la astfel de dimensiuni – un motiv major pentru care acest tip de studiu dinamic nu a fost realizat până acum. Apoi au spart cristalul cu neutroni la laboratorul național Oak Ridge și razele X la laboratorul național Argonne. Măsurând modul în care neutronii și razele X sar de la cristale în multe unghiuri și la intervale de timp diferite, cercetătorii sunt entuziasmați de modul în care atomii săi constituenți se mișcă în timp.

După confirmarea interpretării măsurătorilor cu simulări pe computer, cercetătorii au descoperit cât de activ este de fapt rețeaua cristalină. Motivele octogonale octogonale atașate între ele prin atomi de brom au fost capturate prin răsucirea colectivă în zone asemănătoare plăcilor și îndoirea constantă înainte și înapoi într-un mod foarte lichid.

„Datorită modului în care atomii sunt aranjați cu motive octaedrice care separă atomii de brom ca noduri, aceștia sunt liberi să aibă aceste rotații și curbe”, a spus Delaire. „Dar am descoperit că acești peruvieni Khalid în special sunt mult mai„ liberi ”decât alte rețete. În loc să încolțească imediat în formă, se întorc foarte încet, aproape mai mult ca Jell-O sau un lichid decât un cristal solid convențional. “

Delaire a explicat că acest dans molecular cu spirit liber este important pentru a înțelege multe dintre proprietățile dorite ale perovskitelor cu halogenuri. „Floppiness” lor împiedică recombinarea electronilor în găurile fotonilor care intră, ceea ce îi ajută să producă multă energie electrică din lumina soarelui. Și probabil, de asemenea, face dificilă trecerea energiei termice prin structura cristalină, ceea ce le permite să genereze electricitate din căldură având o parte a materialului mult mai fierbinte decât cealaltă.

Deoarece perovskitul utilizat în studiu – CsPbBr3 – are una dintre cele mai simple rețete, totuși conține deja caracteristici structurale comune familiei extinse a acestor compuși, Delaire consideră că aceste descoperiri se vor aplica probabil unei game largi de perovskite de halogenuri. De exemplu, el citează perovskitul hibrid organic-anorganic (HOIP), care are rețete mult mai complicate, precum și variante de perovskit dual fără plumb, care sunt mai ecologice.

„Acest studiu arată de ce acest cadru perovskit este special chiar și în cele mai simple cazuri”, a spus Delaire. “Aceste descoperiri se vor extinde probabil la rețete mult mai complicate, pe care mulți oameni de știință din întreaga lume le cercetează. Deoarece afișează baze de date computaționale mari, dinamica pe care am descoperit-o poate ajuta la determinarea perovskitului care va fi urmat”.

Referință: “Fluctuații bidimensionale de supraîncărcare a rețelei perovskite moi în CsPbBr3” de T. Lanigan-Atkinsy, X. Hei, MJ Krogstad, DM Pajerowski, DL Abernathy, Guangyong NMN Xu, Zhijun Xu, 4 D.-Y. Chung, MG Kanatzidis, S. Rosenkranz, R. Osborn și O. Delaire, 15 martie 2021, Materiale naturale.
DOI: 10.1038 / s41563-021-00947-y

Această cercetare a fost susținută de Departamentul Energiei (DE-SC0019299, DE-SC0019978, DE-AC02-05CH11231).

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Nanofibrele centrifugale multifuncționale pun un nou efect asupra măștilor COVID-19

Figura (A) Ilustrația schematică a procesului de producție a nanofibrelor polimerului centrifug polimer multispinning. (B) Nanofibrele polimerice sunt rotite de sistem. O...

Arheologii găsesc dovezi din monumentele de câini domestici din Peninsula Arabică Antică

Situat în regiunea tărâmurilor Alula, în nord-vestul Arabiei Saudite, acest cimitir este acum rar construit pe pământ pentru Arabia Neolitică-Calcolitică și este un ajutor...

Pe măsură ce straturile de gheață s-au topit, nivelul mării a crescut până la 18 metri

Se știe că creșterea nivelului mării datorită schimbărilor climatice este o amenințare majoră. Noile cercetări au arătat că evenimentele anterioare de pierdere a...

Oamenii de știință identifică genele umane care luptă împotriva infecției cu SARS-CoV-2

Vedere microscopică a coronavirusului. Credit: Yeti punctat Cercetările indică controlul genelor care stimulează interferonul SARS-CoV-2 Copie Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebis au...

Noua tehnică „Mașina timpului” dezvăluită pentru măsurarea celulei

Celulele dendritice (roșii / verzi co-colorate) într-un folicul limfoid (fragment de peyer) drenează intestinul (albastru). Credit: Wang Cao și Shengbo Zhang, WEHI Utilizând o...

Newsletter

Subscribe to stay updated.