新研究觀察到鈣鈦礦材料在原子尺度上的行為 助力提高電池效率

導(dǎo)讀：利用美國(guó)能源部的實(shí)驗(yàn)室，科學(xué)家們?cè)谠铀缴狭私獾解}鈦礦中的類(lèi)似液體的運(yùn)動(dòng)可以解釋它們?nèi)绾斡行У禺a(chǎn)生電流。

科學(xué)家研究了鈣鈦礦材料的內(nèi)部工作原理，以更好地了解該材料在原子尺度上的行為。他們的工作表明鈣鈦礦中類(lèi)似液體的運(yùn)動(dòng)可以解釋它們?nèi)绾斡行У禺a(chǎn)生電流。

科學(xué)家們解釋說(shuō)，當(dāng)光照射到光伏材料上時(shí)，它會(huì)激發(fā)電子，促使它們“跳出”自己的原子，在材料中移動(dòng)，從而導(dǎo)電。一個(gè)問(wèn)題是，被激發(fā)的電子可以與原子重新結(jié)合，而不是通過(guò)材料。這可以減少相對(duì)于照射到材料上的陽(yáng)光量產(chǎn)生的電量。

科學(xué)家們說(shuō)，鈣鈦礦在阻止這種重組方面做得很好。他們的工作旨在揭示導(dǎo)致這一現(xiàn)象的機(jī)理，以及如何開(kāi)發(fā)更高效的太陽(yáng)能電池。杜克大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)工作，包括美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家。

研究小組研究了最簡(jiǎn)單的鈣鈦礦之一，一種由銫、鉛和溴組成的化合物(CsPbBr3)。然后，他們?cè)诎⒇暣判圆牧闲〗M的光束線上使用了x射線散射能力。

研究小組捕獲了鈣鈦礦晶體中原子在不同溫度下的平均位置。他們發(fā)現(xiàn)，每個(gè)鉛原子及其周?chē)匿逶踊\形成了具有分子性質(zhì)的剛性單位。特別是，這些單位以類(lèi)似液體的方式振蕩。

解釋鈣鈦礦如何抵抗復(fù)合的一種理論是，晶格或晶體結(jié)構(gòu)中的這些變形在自由電子穿過(guò)材料時(shí)跟隨著自由電子。電子可能會(huì)使晶格變形，從而引起類(lèi)似液體的干擾，從而阻止了它們回落到其主體原子中。研究人員說(shuō)，這一理論可能為如何設(shè)計(jì)用于太陽(yáng)能電池的最佳鈣鈦礦材料提供新的見(jiàn)解。

數(shù)據(jù)還表明，材料中的分子在二維平面內(nèi)振蕩，并且沒(méi)有在平面上運(yùn)動(dòng)。這種二維性質(zhì)也可以幫助解釋鈣鈦礦如何防止電子復(fù)合，從而提高了材料的效率。

為了直接研究原子的運(yùn)動(dòng)，研究小組使用了橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的中子散射能力。中子散射證實(shí)了在X射線散射實(shí)驗(yàn)中看到的模式。它也表明分子幾乎不需要能量就可以在兩個(gè)維度上振蕩。研究人員說(shuō)，這有助于解釋為什么激發(fā)的電子會(huì)如此容易地使晶格變形。

3月，《自然材料》上發(fā)表了一篇關(guān)于該研究的論文，即““Two-dimensionaloverdampedfluctuationsofthesoftperovskitelatticeinCsPbBr3”。支持該實(shí)驗(yàn)的計(jì)算研究是在伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心進(jìn)行的。這項(xiàng)研究是由美國(guó)能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)，材料科學(xué)與工程部門(mén)的辦公室資助的。