Теперь эксперименты с мощной «электронной камерой» в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики обнаружили, что свет вращает атомы в перовскитах, что потенциально объясняет высокую эффективность этих материалов для солнечных элементов следующего поколения и дает подсказки для их создания.
«Мы сделали шаг к разгадке тайны», – сказал Аарон Линденберг из Стэнфордского института материаловедения и энергетики (SIMES) и Стэнфордского института сверхбыстрой науки PULSE, которыми совместно управляют Стэнфордский университет и SLAC. «Мы записали фильмы, которые показывают, что определенные атомы в перовските очень необычным образом реагируют на свет в пределах триллионных долей секунды. Это может облегчить перенос электрических зарядов через материал и повысить его эффективность."
Исследование было опубликовано сегодня в Science Advances.
Свет заставляет атомную структуру двигаться
Когда свет падает на материал солнечного элемента, его энергия вытесняет часть отрицательно заряженных электронов материала.
Это оставляет после себя "электронные дыры" с положительным зарядом там, где электроны изначально находились. Электроны и дырки мигрируют к противоположным сторонам материала, создавая напряжение, которое можно использовать для питания электрических устройств.
Эффективность солнечного элемента зависит от того, насколько свободно электроны и дырки могут перемещаться в материале.
Их подвижность, в свою очередь, зависит от атомной структуры материала. В кремниевых солнечных элементах, например, атомы кремния очень упорядоченно выстраиваются внутри кристаллов, и даже самые мелкие структурные дефекты снижают способность материала эффективно собирать свет.
В результате кристаллы кремния необходимо выращивать дорогостоящими многоэтапными процедурами в исключительно чистых условиях. Напротив, "перовскиты легко производятся путем смешивания химикатов с растворителем, который испаряется, оставляя очень тонкую пленку перовскитного материала", – сказал Сяоси Ву, ведущий автор исследования из SIMES в SLAC. «Более простая обработка означает меньшие затраты. В отличие от кремниевых солнечных элементов, тонкие пленки перовскита также легкие и гибкие, и их можно легко наносить практически на любую поверхность."
Но что именно в перовскитах позволяет некоторым из них очень эффективно собирать свет?? Ученые считают, что одним из ключей является то, как их атомы движутся в ответ на свет.
Чтобы узнать больше, Ву и ее коллеги изучали эти движения в прототипе материала, состоящего из йода, свинца и органической молекулы под названием метиламмоний.
Атомы йода расположены в октоэдрах – восьмиугольных структурах, которые выглядят как две пирамиды, соединенные в основании. Атомы свинца находятся внутри октоэдров, а молекулы метиламмония – между октоэдрами (см. Диаграмму ниже). Эта архитектура характерна для многих перовскитов, исследованных для применения в солнечных элементах.
«Предыдущие исследования в основном изучали роль ионов метиламмония и их движения в переносе электрического заряда через материал», – сказал Ву. «Однако мы обнаружили, что свет вызывает большие деформации в сети атомов свинца и йода, что может иметь решающее значение для эффективности перовскитов."
Необычные искажения могут повысить эффективность
В зоне испытаний ускорительной структуры SLAC (ASTA) исследователи сначала поразили перовскитную пленку толщиной менее двух миллионных долей дюйма с помощью лазерного импульса длительностью 40 фемтосекунд. Одна фемтосекунда составляет миллионную миллиардную долю секунды.
Чтобы определить атомный отклик, они послали 300-фемтосекундный импульс высокоэнергетических электронов через материал и наблюдали, как электроны отклоняются в пленке. Этот метод, называемый сверхбыстрой дифракцией электронов (UED), позволил им восстановить атомную структуру.
«Повторяя эксперимент с разными временными задержками между двумя импульсами, мы получили покадровую видеозапись движений атомов свинца и йода после попадания света», – сказал соавтор Сицзе Ван, ведущий научный сотрудник SLAC для UED. «Метод похож на получение серии сверхбыстрых рентгеновских снимков, но электроны дают нам гораздо более сильные сигналы для тонких образцов и менее разрушительны."
Команда ожидала, что световой импульс будет воздействовать на атомы равномерно во всех направлениях, заставляя их колебаться вокруг своего исходного положения.
«Но этого не произошло», – сказал Линденберг. "В течение 10 триллионных долей секунды после лазерного импульса атомы йода вращались вокруг каждого атома свинца, как если бы они двигались по поверхности сферы с атомом свинца в центре, переключая каждый октаэдр с правильной формы на искаженную."
Неожиданные деформации оказались долгоживущими и неожиданно большими, похожими по размеру на те, которые наблюдаются в плавящихся кристаллах.
"Это движение может изменить способ движения зарядов", – сказал Ву. "Эта реакция на свет может повысить эффективность, например, позволяя электрическим зарядам проходить через дефекты и защищая их от попадания в ловушку материала."
«Результаты группы Линденберга впервые дают захватывающее представление о свойствах гибридных перовскитов с использованием сверхбыстрой дифракции электронов в качестве уникального инструмента», – говорит Феликс Дешлер, эксперт в области световой физики новых материалов и исследователь. в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета.
"Знание о детальном движении атомов после фотовозбуждения дает новую информацию об их характеристиках и может дать новые рекомендации по разработке материалов."