Fizikai pirmą kartą stebi trumpalaikes „Polaron“ kvazidaleles

(Greg Stewart / SLAC nacionalinė greitintuvo laboratorija)

Polaronai yra svarbūs nanoskalės reiškiniai: trumpalaikė konfigūracija tarp elektronų ir atomų (žinoma kaip kvazidalelės ), kurie egzistuoja tik trilijonus sekundės.

Šios konfigūracijos pasižymi unikaliomis savybėmis, kurios gali padėti suprasti kai kuriuos paslaptingus medžiagų, kurias jos sudaro, elgseną – mokslininkai ką tik jas pastebėjo pirmą kartą.

Polaronai buvo matuojami švino hibridiniuose perovskituose, naujos kartos saulės elementų medžiagosežada padidintiperskaičiavimo kursą nei silicio plokštės, kurios dažniausiai naudojamos šiandien. Mokslininkai tikisi, kad polarono stebėjimai mums padės tiksliai pasakyti, kaip perovskitai taip gerai paverčia saulės šviesą elektra.



Norėdami rasti polaronus, mokslininkai apšvietė šviesą ant pavienių švino hibridinių perovskitų kristalų, stebėdami milžinišku rentgeno spindulių laisvųjų elektronų lazeriu, vadinamu Koherentinis šviesos šaltinis (LCLS) – galintis vaizduoti medžiagas mažiausiu masteliu per trumpiausią laiką, iki trilijonų sekundės dalių (arba pikosekundės ).

(Greg Stewart / SLAC nacionalinė greitintuvo laboratorija)

Viršuje: Švino hibrido perovskito polaronų iliustracija.

'Kai įkvepiate medžiagą, smogdami ją šviesa, kaip tai vyksta saulės elemente, elektronai išsilaisvina ir tie laisvieji elektronai pradeda judėti aplink medžiagą.' sako fizikas Burakas Guzelturkas iš Argonne nacionalinės laboratorijos, kuriai vadovauja JAV Energetikos departamentas.

„Netrukus juos supa ir pasiglemžia tam tikras vietinio iškraipymo burbulas – polaronas, kuris keliauja kartu su jais. Kai kurie žmonės tvirtino, kad šis burbulas apsaugo elektronus nuo medžiagos defektų išsklaidymo ir padeda paaiškinti, kodėl jie taip efektyviai nukeliauja iki saulės elemento kontakto, kad ištekėtų kaip elektra.

Perovskitai yra perspektyvūs kaip saulės kolektorių medžiaga, tačiau nėra visiškai aišku, kodėl: jie turi daug defektų, kurie turėtų apriboti srovės tekėjimą per juos, be to, jie yra trapūs ir nestabilūs. Polaronai gali pasiūlyti kai kuriuos atsakymus.

Šie polaronai iš esmės yra trumpi keliaujantys medžiagos atominės gardelės struktūros iškraipymai, ir buvo įrodyta, kad jie išstumia apie 10 atomų sluoksnių į išorę. Iškraipymas padidino aplinkinių atomų atstumą maždaug 50 kartų – iki 5 milijardų metro – per dešimtis pikosekundžių.

Smulkūs iškraipymai arba burbuliukai buvo didesni, nei tikėjosi mokslininkai, juos leido judėti lanksti ir minkšta hibridinio perovskito atominės gardelės struktūra. Tam tikra prasme medžiaga vienu metu elgiasi kaip kieta ir skysta.

„Dėl didelio efektyvumo ir mažų sąnaudų šios medžiagos audringai užėmė saulės energijos tyrimų sritį, tačiau žmonės vis dar ginčijasi, kodėl jos veikia. sako medžiagų mokslininkas Aaronas Lindenbergas iš Stanfordo universiteto.

„Idėja, kad gali būti susiję su polaronais, gyvavo jau keletą metų, tačiau mūsų eksperimentai yra pirmieji, kurie tiesiogiai stebi šių vietinių iškraipymų susidarymą, įskaitant jų dydį, formą ir jų raidą.

Nors perovskitai yrajau naudojamassaulės energijos gamyboje, dažnai kartu su siliciu, jie susiduria su iššūkiais – nors matėme, kadefektyvumo padidėjimasiš šių medžiagų, manoma, kad jie gali dar daugiau.

Bėgant metams, mokslininkai ir toliauįveikti kliūtiskurių saulės baterijų efektyvumas buvo mažesnis nei turėtų būti, o mūsų pasitikėjimas saulės energijos ūkiais didėja, net kelių procentinių punktų patobulinimai gali turėti didelį skirtumą.

Tačiau mokslininkai, atsakingi už poliarono atradimą, nori pabrėžti, kad jie dar neatsakė į visus klausimus apie šias kvazidaleles – ir dar daug reikia sužinoti apie jų poveikį perovskitams ir kitoms medžiagoms.

„Nors šis eksperimentas kiek įmanoma tiesiogiai parodo, kad šie objektai tikrai egzistuoja, jis neparodo, kaip jie prisideda prie saulės elementų efektyvumo“, sako Lindenbergas . „Dar reikia nuveikti, kad suprastume, kaip šie procesai veikia šių medžiagų savybes.

Tyrimas buvo paskelbtas m Gamtos medžiagos .

Apie Mus

Nepriklausomų, Patikrintų Sveikatos, Erdvės, Gamtos, Technologijos Ir Aplinkos Ataskaitų Paskelbimas.