Prima privire la polaroni – Distorsiuni efemere – Formarea într-un material energetic promițător al generației următoare

O ilustrare arată polaronii – distorsiuni rapide în rețeaua atomică a unui material – într-un material energetic promițător de generația următoare, hibridul de plumb Perovsky. Credit: Greg Stewart / SLAC National Laboratory Accelerator

Aceste perturbări tranzitorii, observate pentru prima dată în perovskitul hibrid de plumb, pot ajuta la explicarea motivului pentru care aceste materiale sunt extrem de bune la transformarea soarelui în electricitate în celulele solare.

Polaronii sunt distorsiuni rapide în rețeaua atomică a unui material care se formează în jurul unui electron în mișcare în câteva trilioane de secundă și apoi dispar rapid. Pe cât de eficiente sunt, ele influențează comportamentul unui material și poate fi chiar motivul pentru care celulele solare realizate cu perovskii hibrizi de plumb obțin o eficiență extrem de ridicată în laborator.

Acum, oamenii de știință de la Laboratorul Național de Accelerare SLAC al Departamentului Energiei și Universitatea Stanford au folosit laserul cu raze X al laboratorului pentru a observa și măsura direct formarea de polaroni pentru prima dată. Au raportat concluziile lor cu privire la Materiale naturale pe 4 ianuarie 2021.

„Aceste materiale au preluat domeniul cercetării energiei solare prin furtună din cauza eficienței ridicate și a costurilor reduse, dar oamenii încă se ceartă de ce lucrează”, a declarat Aaron Lindenberg, cercetător la Stanford Institute for Materials Science and Energy. (SIMES) la SLAC și profesor asociat Stanford care a condus cercetarea.

“Ideea că polarizatorii ar putea fi implicați există de câțiva ani”, a spus el. „Dar experimentele noastre sunt primele care observă direct formarea acestor distorsiuni locale, inclusiv dimensiunea, forma și modul în care acestea evoluează”.

Cum se răspândesc polarizatorii prin materialul energetic de generația următoare

O ilustrare arată polaronii – distorsiuni rapide în rețeaua atomică a unui material – într-un material energetic promițător de generația următoare, hibridul de plumb Perovsky. Oamenii de știință de la SLAC și Stanford au observat mai întâi cum aceste „bule” de distorsiune se formează în jurul purtătorilor de sarcină – electroni și găuri care au fost eliberate de impulsurile luminoase – care sunt prezentate aici ca puncte luminoase. Acest proces poate ajuta la explicarea de ce electronii călătoresc atât de eficient în aceste materiale, ducând la performanțe ridicate ale celulelor solare. Credit: Greg Stewart / SLAC National Laboratory Accelerator

Emoționant, complex și greu de înțeles

Perovskitele sunt materiale cristaline numite după mineralul Perovskit, care are o structură atomică similară. Oamenii de știință au început să le încorporeze în celulele solare în urmă cu aproximativ un deceniu, iar eficiența acestor celule în transformarea luminii solare în energie a crescut constant, în ciuda faptului că constituenții lor perovskiti au multe defecte care ar trebui împiedică fluxul de curent.

Aceste materiale sunt destul de complexe și greu de înțeles, a spus Lindenberg. În timp ce oamenii de știință le consideră interesante, deoarece sunt eficiente și ușor de realizat, crescând posibilitatea ca acestea să facă celulele solare mai ieftine decât celulele de siliciu din prezent, ele sunt, de asemenea, foarte volatile, descompunându-se atunci când expuse la aer și conțin plumb care trebuie ținut în afara mediului.

Studiile anterioare la SLAC au investigat natura perovskitelor cu o „cameră electronică” sau cu raze X. Printre altele, au descoperit că luminile care orbitează atomi în jurul perovskitelor și au măsurat, de asemenea, durata de viață a fononilor acustici – undele sonore. – care transportă căldura prin materiale.

Pentru acest studiu, echipa Lindenberg a folosit sursa de lumină coerentă (LCLS) a laboratorului, un puternic laser cu raze X cu electroni liberi, care poate imagina materiale de detalii aproape atomice și capta mișcările atomice care apar în milioane de o miliardime de secundă. S-au uitat la singurele cristale de material sintetizate de grupul profesorului asociat Hemamala Karunadasa la Stanford.

Au lovit un mic eșantion de material încorporat într-o lumină dintr-un laser optic și apoi au folosit laserul cu raze X pentru a observa modul în care materialul a reacționat de-a lungul a zeci de trilioane de secunde.

Polarons se extinde rapid

După cum arată această animație, distorsiunile polaronice încep foarte puțin și se extind rapid din exterior în toate direcțiile la un diametru de aproximativ 5 miliarde de metri, ceea ce reprezintă o creștere de aproximativ 50 de ori. Aceasta scufundă aproximativ 10 straturi de atomi ușor într-o zonă aproximativ sferică timp de zeci de secunde, sau trilioane de secundă. Aceste distorsiuni au fost măsurate mai întâi în perovskit hibrid de plumb cu un laser cu raze X electronice la SLAC National Laboratory Accelerator. Credit: Greg Stewart / SLAC National Laboratory Accelerator

Extinderea bulelor de distorsiune

„Când plasați o încărcare pe un material lovind-o cu lumină, ca ceea ce se întâmplă într-o celulă solară, electronii sunt eliberați și acei electroni liberi încep să se miște în jurul materialului”, a spus Burak Guzelturk, un om de știință la Laboratorul Național Argonne. DOE care era cercetător postdoctoral la Stanford la momentul experimentelor.

„În curând sunt înconjurați și înghițiți de un fel de bulă de distorsiune locală – polaritate – care călătorește împreună cu ei”, a spus el. „Unii oameni au susținut că această„ bulă ”protejează electronii împotriva defectelor de împrăștiere a materialului și ajută la explicarea de ce călătoresc atât de eficient în contact cu celula solară pentru a ieși ca electricitate”.

Structura hibridă a rețelei Perovskite este flexibilă și moale – ca „o combinație ciudată a unui solid și a unui lichid în același timp”, așa cum spune Lindenberg – și asta permite polarizatorilor să se formeze și să crească.

Observațiile lor au constatat că distorsiunile polaronice încep foarte mici – la scara unor angstromi, pentru spațiul dintre atomi într-un corp rigid – și se extind rapid din exterior în toate direcțiile la un diametru de aproximativ 5 miliarde și un metru, care este de aproximativ 50 de ori. Aceasta scufundă aproximativ 10 straturi de atomi într-o zonă sferică aproximativ de zeci de secunde sau trilioane de secunde.

“Această distorsiune este de fapt destul de mare, lucru pe care nu îl știam până acum”, a spus Lindenberg. „Este ceva complet neașteptat”.

El a adăugat: „În timp ce acest experiment arată cât mai direct posibil că aceste obiecte există, nu arată cum acestea contribuie la eficiența unei celule solare. Mai sunt de lucru pentru a înțelege modul în care aceste procese afectează proprietățile acestor materiale. “

Referință: „Vizualizarea câmpurilor dinamice ale tulpinii polaronice în perovskitul cu halogenuri de plumb hibrid” de Burak Guzelturk, Thomas Winkler, Tim WJ Van de Goor, Matthew D. Smith, Sean A. Bourelle, Sascha Feldmann, Mariano Trigo, Samuel W. Teitelbaum , Hans -Georg Steinrück, Gilberto A. de la Pena, Roberto Alonso-Mori, Diling Zhu, Takahiro Sato, Hemamala I. Karunadasa, Michael F. Toney, Felix Deschler și Aaron M. Lindenberg, 4 ianuarie 2021, Materiale naturale.
DOI: 10.1038 / s41563-020-00865-5

LCLS este o facilitate de utilizare a DOE Science Office. Lindenberg este, de asemenea, investigator la Institutul Stanford PULSE, care la fel ca SIMES este un institut comun SLAC-Stanford. Oamenii de știință de la Universitatea Cambridge din Marea Britanie; Universitatea Aarhus în Danemarca; și Universitatea din Paderborn și Universitatea Tehnică din München din Germania au contribuit, de asemenea, la acest studiu. Finanțarea principală a venit de la DOE Science Office.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Apneea obstructivă în somn este frecventă la persoanele cu tulburări cognitive – este tratabilă

O tulburare de somn tratabilă în mod obișnuit la persoanele cu probleme de gândire și memorie. Apnee obstructivă în somn - respirația se oprește de...

Oamenii de știință dezvăluie cheia creșterii musculare adecvate

Analiza imunofluorescenței unui grup de celule stem proliferante asociate cu fibre musculare (gri). Celulele stem produc Dll1 (roșu) și MyoD (verde). Două...

ExoMars Orbiter surprinde fermitatea la locul de aterizare al craterului Mars Jezero

ESA-Roscosmos Trace Gas Orbiter a observat vehiculul NASA Perseverance Mars 2020, împreună cu o parașută și o carapace spate, un scut termic și o...

Reglarea cuantică în grafen avansează era comunicațiilor fără fir Terahertz de mare viteză

Tunelare cuantică. Credit: Daria Sokol / Biroul de presă MIPT Oamenii de știință de la MIPT, Universitatea Pedagogică de Stat din Moscova și Universitatea...

Utilizarea moleculelor vibrante pentru a investiga proprietățile undelor materiei

Ionii moleculari HD + (perechi de puncte galbene și roșii) într-o capcană de ioni (gri) sunt iradiați de o undă laser (roșu). Acest...

Newsletter

Subscribe to stay updated.