孔是如何陷入由氧化锌制成的纳米颗粒中的

当太阳能电池吸收光子时，就会开始电子竞赛。两个粒子 - 带负电的电子和带正电的“洞” - 如果它们完全分离就会发电。

然而，当这些颗粒在它们能够完全分离之前被捕获在太阳能材料中时，它会降低材料将光转换成电能的能力。

美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的科学家发表了一项新研究，该研究确定了在氧化锌制成的纳米颗粒中捕获空穴的过程，氧化锌是一种对太阳能应用具有潜在兴趣的材料，因为它吸收紫外线。

利用Argonne先进光子源(APS)产生的X射线，研究人员能够看到纳米粒子特定区域的空穴陷阱。这代表着显着的进步，因为先前的实验能够检测电子的迁移和捕获而不是空穴。

据该研究的作者Stephen Southworth称，有人认为氧化锌可能是二氧化钛的替代品，二氧化钛是最常用的光伏材料。他说，了解空穴捕获行为对于评估太阳能应用中材料的可行性是必要的。

尽管空穴捕获会损害光伏器件的性能，但它可以提高氧化锌作为光催化剂的能力，因为存储在材料内的陷阱中的正电荷可以继续作为化学反应的参与者。

瑞士Paul Scherrer研究所的X射线科学家克里斯托弗·米尔恩说：“如果你正在制造一个太阳能电池，你想避免陷阱;但是如果你正在制造一个光触媒，那么你就想要捕获它们。” 。“无论如何，了解这些原子如何被捕获 - 以及持续多长时间 - 对于制造将光能转化为可用能量的功能性材料至关重要。”

研究人员确定这些空穴被困在“氧空位”中 - 晶格内缺少氧原子的地方。米尔恩说，氧化锌具有晶体结构，使其具有许多这些空位。诱捕的发生是因为空位的能量水平低于周围环境，为通过洞穴创造了一个充满活力的裂缝。

为了进行测量，研究人员结合了两种不同的X射线技术：X射线吸收光谱和共振X射线发射光谱。“通过APS的设置，结合这些技术是独一无二的，为我们提供了一个向我们展示原子几何和材料电子结构的视图，”该研究的作者Argonne X射线物理学家Gilles Doumy说。 ，它使用了APS的7ID-D光束线。

“APS是世界上我们可以完成这项实验的唯一地方之一。这是一次非常富有成果的合作，”米尔恩说。APS是美国能源部科学用户设施办公室。

研究人员表示，系统的未来研究可以从捕获行为的快速快照的能力中受益。这样的实验可以在X射线自由电子激光设备上进行，例如SLAC的Linac相干光源，也是DOE科学用户设施办公室。

“从本质上讲，我们希望看到相同的过程，但能够快速拍摄图像，”Southworth说。

“材料的功能总是依赖于过程中早期的行为如何影响后期和更长时间的行为，”Doumy补充道​​。“我们需要两张照片才能全面了解。”