中子提供了对混合钙钛矿太阳能电池性能提升的见解

中子散射实时揭示了混合钙钛矿材料中太阳光转换为能量的基本机制。更好地理解这种行为将使制造商能够以更高的效率设计太阳能电池。

来自能源部橡树岭国家实验室，湖南大学和内布拉斯加大学林肯分校的多机构研究团队使用光致发光测量，以及中子和X射线散射，研究材料的微观结构与其之间的关系。光电性能。通过检查不同温度下的材料，研究人员能够跟踪原子结构变化，并确定氢键如何在材料性能中发挥关键作用。他们的研究结果发表在“ 高级材料 ”杂志上。

与传统的太阳能电池材料相比，混合钙钛矿有望将光转换为能量。它们也更容易制造，因为它们可以从溶液中旋转浇铸，并且不需要用于合成的高真空室。

与它们的单一硅或锗对应物不同，杂化钙钛矿由有机和无机分子组成。该结构由无机铅和溴分子构成，所述无机铅和溴分子以八面体单元排列，形成围绕由碳，氮和氢组成的有机甲基铵阳离子(带正电荷的离子)的笼。

ORNL纳米材料科学中心的研究人员Kai Xiao说：“将有机和无机分子同时存在于明确的晶体结构中的优势意味着我们可以通过调整一组或另一组来优化材料来定制材料。” 。“尽管研究人员多年来一直在研究这些材料，但我们仍然没有从根本上完全理解有机成分如何影响这些材料。”

寻找有机/无机组分的正确组合和分子取向是解锁更多功能的关键，但了解这些相互作用需要正确的工具。

“中子对此非常擅长，因为它们对像氢这样的轻元素很敏感，”ORNL仪器科学家小平王说。“因为我们能够跟踪每个中子，所以我们可以得到关于原子在哪里，它们的温度是多少以及它们如何表现的信息。”

在ORNL的Spallation Neutron Source上使用TOPAZ仪器，该团队能够观察到原子级的氢键相互作用。

实验表明，该材料在大约150和130开尔文(大约-190和-225华氏度)之间经历了显着的结构变化。冷却材料减慢了有机组分的移动进入有序状态，其中实时精确的原位测量以准确地观察有机分子如何通过氢键与铅 - 溴组分结合。

“我们看到排序与结构中的氢键直接相关，以及任何变化如何影响材料的能隙，”王说。“这让我们知道阳光被吸收的程度以及光伏材料的应用意味着什么。”

在CNMS进行互补光致发光和X射线散射测量以及晶体合成。理论计算由ORNL材料科学与技术部的科学家进行。

“混合钙钛矿已经是一种很好的材料，”肖说。“现在我们知道有机分子的取向如何影响晶体结构，以及我们如何进一步调整它们以改变所需的性能，这种新的基本理解将使我们能够设计出具有更大潜力的新材料。”