Ang mga twisting, kakayahang umangkop na kristal – ang susi upang mapabuti ang mga bagong solar cell

Ang isang pangunahing kadahilanan kung paano bumubuo at magdala ng kuryente ang mga halide perewskite na ito ay literal na nakasalalay sa kung paano umiikot at umiikot ang kanilang octagonal atomic lattice. May-akda: ORNL / Jill Hemman

Ipinapakita ng mga mananaliksik kung paano ang mga hugis at galaw ng halide perevskites ay lumilikha ng nais na mga katangian ng mga nababagong mapagkukunan ng enerhiya.

Ang mga mananaliksik mula sa Duke University ay natuklasan ang isang matagal nang nakatago na molekular na dinamikong nagbibigay ng nais na mga pag-aari ng paggamit ng solar energy at thermal energy sa isang kapanapanabik na klase ng mga materyales na tinatawag na halide peregrines.

Ang isang pangunahing kadahilanan kung paano makabuo ang mga materyal na ito at magdala ng kuryente nang literal na nakasalalay sa kung paano ang kanilang atomic lattice ay umiikot at umiikot tulad ng isang bisagra. Ang mga resulta ay makakatulong sa mga materyal na siyentipiko sa kanilang pakikipagsapalaran na iakma ang mga kemikal na resipe ng mga materyal na ito para sa isang malawak na hanay ng mga aplikasyon sa isang environmentally friendly na paraan.

Lumilitaw ang mga resulta ngayon (Marso 15, 2021) sa journal Mga likas na materyales.

“Mayroong malawak na interes sa halogenated peregrines para sa mga aplikasyon ng enerhiya tulad ng photovoltaics, thermoelectrics, optoelectronic radiation detection at radiation – ang buong larangan ay hindi kapani-paniwala na aktibo,” sabi ni Olivier Dehler, associate professor ng mechanical engineering at material science sa Duke. “Habang naiintindihan namin na ang lambot ng mga materyal na ito ay mahalaga sa kanilang mga elektronikong katangian, wala talagang nakakaalam kung paano natagpuan ng mga galaw ng atomic ang mga tampok na ito.”

Ang Perovskites ay isang klase ng mga materyales na, kung maayos na pinagsama, ay nagiging isang mala-kristal na istraktura, na ginagawang partikular na angkop para sa mga pangangailangan ng enerhiya. Ang kanilang kakayahang sumipsip ng ilaw at mahusay na maihatid ang enerhiya nito ay ginagawang isang pangkaraniwang layunin para sa mga mananaliksik na bumuo ng mga bagong uri ng solar cells, halimbawa. Ang mga ito ay malambot din, tulad ng matigas na ginto ay madaling malukong, na nagbibigay sa kanila ng kakayahang tiisin ang mga depekto at maiwasan ang mga bitak kapag ginawang isang manipis na pelikula.

Gayunpaman, ang isang sukat ay hindi umaangkop sa lahat, dahil mayroong isang malawak na hanay ng mga potensyal na resipe na maaaring bumuo ng isang overshoot. Marami sa pinakasimpleng at pinaka natutunang mga recipe ay may kasamang halogen, tulad ng chlorine, fluorine, o bromine, at bigyan sila ng pangalang halide peregrines. Sa istrakturang kristal ng perevskites, ang mga halide na ito ay ang mga kasukasuan na kumokonekta sa mga octagonal na motif ng kristal.

Bagaman alam ng mga mananaliksik na ang mga fulcrum na ito ay kinakailangan upang lumikha ng mga pag-aari ng perevskite, walang sinuman ang tumingin sa kung paano nila pinapayagan ang mga istruktura sa kanilang paligid na paikutin, paikutin, at yumuko nang hindi sinisira tulad ng isang Jell-O na hulma na masiglang kinilig.

“Ang mga paggalaw na ito sa istruktura ay kilalang mahirap matukoy nang eksperimento. Ang pamamaraan ng pagpili ay neutron dispersing, na nagsasangkot ng napakalaking pagsisikap na pag-aralan ang data at mga instrumento, at napakakaunting mga koponan ang kumokontrol sa mga diskarteng ginawa ni Olivier at ng kanyang mga kasamahan, “sabi ni Walker Bloom, propesor ng mechanical engineering at material science ng Duke. hindi nakatuon. “Nangangahulugan ito na maaari nilang ibunyag ang mga pangunahing katangian ng mga materyal sa pangunahing mga pereskite, na kung hindi man ay hindi magagamit.”

Sa pag-aaral, si Deler at mga kasamahan mula sa Argonne National Laboratory, ang Oak Ridge National Laboratory, ang National Institute of Science and Technology at Northwestern University, sa kauna-unahang pagkakataon ihayag ang mahalagang mga dinamika ng molekular ng istraktura na simple, mahusay na pinag-aralan na halide pereuskite (CsPbBr3).

Ang mga mananaliksik ay nagsimula sa isang malaking sukat na sentrong solong kristal halide perevskite, na kung saan ay kilalang mahirap lumaki sa ganoong laki – ang pangunahing dahilan kung bakit hindi pa nakakamit ang ganitong uri ng pabago-bagong pagsasaliksik. Pagkatapos ay hinarangan nila ang kristal na may mga neutron sa Oak Ridge National Laboratory at X-ray sa Argonne National Laboratory. Sa pamamagitan ng pagsukat kung paano ang mga neutron at X-ray ay sumasalamin sa mga kristal sa iba’t ibang mga anggulo at sa iba’t ibang mga agwat, kinukulit ng mga mananaliksik kung paano lumilipat ang mga natitiklop na atomo sa paglipas ng panahon.

Matapos makumpirma ang kanilang interpretasyon ng mga sukat gamit ang mga simulation ng computer, natagpuan ng mga mananaliksik kung gaano ka-aktibo ang kristal na sala-sala. Ang mga motif na octagonal na octagonal na nakakabit sa bawat isa ng mga atom ng bromine ay nakuha sa pamamagitan ng pag-ikot sa mga mala-plate na domain at patuloy na baluktot pabalik-balik sa isang napaka likidong pamamaraan.

“Dahil ang mga atomo ay nakaayos na may mga motif na oktagonal na gumagamit ng mga atom ng bromine bilang mga kasukasuan, malaya silang magkaroon ng mga liko at baluktot na ito,” sabi ni Deler. “Ngunit nalaman namin na ang mga halogenated peregrine na ito ay higit na” nababaluktot “kaysa sa ilang iba pang mga recipe. Sa halip na bumalik sa hugis, babalik sila nang napakabagal, halos katulad ng Jell-O o likido kaysa sa isang regular na matigas na kristal. “

Ipinaliwanag ni Deler na ang mahilig sa kalayaan na molekular na sayaw na ito ay mahalaga para sa pag-unawa sa marami sa mga nais na katangian ng halide peregrines. Ang kanilang “shakiness” ay pumipigil sa mga electron mula sa muling pagsasama sa mga butas na kung saan sila ay natumba ng mga photon, na makakatulong na makagawa ng maraming kuryente mula sa sikat ng araw. At marahil ay ginagawang mas mahirap din ang paglipat ng thermal energy sa kabuuan ng istrakturang kristal, na pinapayagan silang makabuo ng kuryente mula sa init habang mayroong isang panig ng materyal na mas mainit kaysa sa isa pa.

Dahil ang peregrine ay ginamit sa pag-aaral – CsPbBr3 – ay may isa sa pinakasimpleng mga recipe, ngunit naglalaman na ng mga tampok na istruktura na karaniwan sa isang malawak na pamilya ng mga compound na ito, naniniwala si Deler na ang mga resulta ay malamang na nauugnay sa isang malawak na hanay ng mga halogen pereuscite. Halimbawa, tumutukoy siya sa hybrid organic-inorganic perevskits (HOIP), na mayroong mas kumplikadong mga recipe, pati na rin ang mga anhid na iba’t ibang mga dobleng pereuskits, na mas magiliw sa kapaligiran.

“Ipinapakita ng pag-aaral na ito kung bakit espesyal ang pundasyong ito kahit na sa pinakasimpleng mga kaso,” sabi ni Deler. “Ang mga resulta na ito marahil ay umaabot sa mas kumplikadong mga recipe na kasalukuyang sinasaliksik ng maraming siyentipiko sa buong mundo. Dahil nagpapakita ang mga ito ng napakalaking mga database ng pag-compute, makakatulong sa iyo ang mga dinamika na nakita namin na magpasya kung ano ang gagawin. “

Sanggunian: “Dalawang-dimensional na overloaded oscillations ng malambot na pereskite lattice sa CsPbBr3” T. Lanigan-Atkins, X. Gay, M.J. Krogstad, D. M. Pozherovsky, D. L. Abernathy, Guangjong NMN Xu, Zhijun Xu, 4 D. – Y. Chung, MG Kanatzidis, S. Rosenkranz, R. Osborn, at O. Delaire, Marso 15, 2021, Mga likas na materyales.
DOI: 10.1038 / s41563-021-00947-u

Ang pag-aaral na ito ay suportado ng Ministry of Energy (DE-SC0019299, DE-SC0019978, DE-AC02-05CH11231).

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Ang lumalaking problema ng “malalim na heograpiya”

Ang maaaring mukhang isang imahe ng Tacoma ay talagang isang simulate na nilikha sa pamamagitan ng paglilipat ng mga biswal na imahe ng Beijing...

Bagong Milky Way Exterior Destroyers Bagong Sky Map ay Inilabas – Madilim na Mahalagang Mga Konsepto ay Maaaring Magbigay ng Bagong Eksperimento

Ang mga astronomo ay naglabas ng isang bagong celestial map ng Milky Way galaxy na pinakamalapit sa aming kalawakan. Kredito: NASA / JPL-Caltech...

Susunod na Generation Stable Pop-Up na Istraktura na inspirasyon ni Origami

Ni Harvard John A. Paulson School of Engineering at Applied Science Abril 22, 2021 Ang hindi masusunog na kanlungan na ito ay hindi natatakpan ng makapal...

Pinalitan ng DNA ang Y Chromosome na Nag-aambag ng Maikling Buhay na Buhay sa Mga Lipad ng Lalaki

Pagpapayaman ng Heterochromatin sa lahat ng mga chromosome. Immunofluorescence stain ng H3K9me3 sa male mitotic chromosome. Bar scale ay 50μm. Kredito:...

Pinapayagan ng mga polimer na kumakain ng polimer ang “biodegradable” na mga plastik na tunay na masusunog

Ang ginagamot na plastik (kaliwa) ay naghiwalay pagkatapos ng tatlong araw lamang sa karaniwang pag-aabono (kanan) at ganap na makalipas ang dalawang linggo. ...

Newsletter

Subscribe to stay updated.