Polaronen, flüchtige Verzerrungen im Atomgitter eines Materials, die sich um sich bewegende Elektronen bilden, könnten den Schlüssel zu einer unglaublich effizienten Funktion enthalten. Solarzellen hergestellt mit Blei-Hybrid-Perowskiten.
Ein Team von Wissenschaftlern des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums und der Stanford University verwendete Röntgenlaser, um zum ersten Mal die Bildung von Polaronen zu beobachten. Sie berichteten über ihre Ergebnisse in der wissenschaftlichen Zeitschrift. Naturmaterialien .
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Atomlaser-Beobachtungen
Blei-Hybrid-Perowskite haben ein großes Potenzial zur Ankurbelung der Solarzellenindustrie. Dennoch sind sich die Wissenschaftler nicht einig, wie sie funktionieren.
"Diese Materialien haben das Gebiet der Solarenergieforschung aufgrund ihrer hohen Effizienz und niedrigen Kosten im Sturm erobert, aber die Leute streiten sich immer noch darüber, warum sie arbeiten", sagte Aaron Lindenberg, ein Forscher am Stanford Institute for Materials and Energy Sciences SIMES am SLAC und außerordentlicher Professor an der Stanford University, der die Forschung leitete, erklärt in a Presseerklärung .
Polaronen, die über Billionstel Sekunden auftreten, könnten der Schlüssel sein: "Die Idee, dass Polaronen beteiligt sein könnten, gibt es schon seit einigen Jahren", sagte er. "Aber unsere Experimente sind die ersten, die die Bildung von direkt beobachtendiese lokalen Verzerrungen, einschließlich ihrer Größe, Form und wie sie sich entwickeln. "
Wissenschaftler haben vor etwa einem Jahrzehnt damit begonnen, Perowskite in Solarzellen einzubauen. kristallin Materialien, die nach dem Mineral Perowskit benannt sind, das eine ähnliche Atomstruktur aufweist.
Die Materialien sind notorisch komplex und schwer zu verstehen, erklärte Lindenberg. Obwohl sie instabil sind und giftiges Blei enthalten, können sie Solarzellen billiger machen als heutige Siliziumzellen.
Polaron-Eigenschaften
Für die Studie verwendete Lindenbergs Team die Linac Coherent Light Source ihres Labors. LCLS, ein leistungsstarker Röntgen-Freie-Elektronen-Laser mit der Fähigkeit, Materialien in nahezu atomaren Details abzubilden und Bewegungen in Millionstel-Milliardstel-Sekunden zu erfassen.
Durch ihre Studie beobachteten sie, dass der Hybrid Perowskit Gitter Die Struktur ist flexibel und weich, wie "eine seltsame Kombination aus Feststoff und Flüssigkeit gleichzeitig", sagte Lindenberg. Dies, erklärt er, ermöglicht es Polaronen, sich zu bilden und zu wachsen.
Die Beobachtungen zeigten auch, dass polaronische Verzerrungen sehr klein beginnen - ungefähr zwischen den Atomen in einem Festkörper - und sich schnell nach außen in alle Richtungen ausdehnen, um ungefähr das 50-fache dieses Raums einzunehmen.
"Diese Verzerrung ist tatsächlich ziemlich groß, etwas, das wir vorher nicht gewusst hatten", sagte Lindenberg. "Das ist etwas völlig Unerwartetes."
Wie Lindenberg abschließt: "Während dieses Experiment so direkt wie möglich zeigt, dass diese Objekte tatsächlich existieren, zeigt es nicht, wie sie zur Effizienz von a beitragen. Solarzelle . Es müssen noch weitere Arbeiten durchgeführt werden, um zu verstehen, wie sich diese Prozesse auf die Eigenschaften dieser Materialien auswirken. "