Ang unang pagtingin sa mga polarons – ephemeral distortions – ang pagbuo sa promising enerhiya na materyal ng susunod na henerasyon

Ipinapakita ng ilustrasyon ang mga polarons – panandaliang pagbaluktot sa atomic lattice ng materyal – sa isang promising susunod na henerasyon na materyal na enerhiya, humantong hybrid pereuskite. May-akda: Greg Stewart / National SLAC Accelerator Laboratory

Ang mga panandaliang kaguluhan, na unang na-obserbahan sa lead hybrid pereskits, ay maaaring makatulong na ipaliwanag kung bakit ang mga materyales na ito ay nagko-convert ng sikat ng araw sa kasalukuyang kuryente sa mga solar panel.

Ang mga polarons ay panandaliang pagbaluktot sa atomic lattice ng materyal na nabubuo sa paligid ng isang gumagalaw na elektron sa ilang trilyon na segundo at pagkatapos ay mabilis na nawala. Hindi mahalaga kung gaano sila ephemeral, nakakaapekto ang mga ito sa pag-uugali ng materyal at maaaring maging dahilan na ang mga solar panel na ginawa gamit ang mga hybrid perevskits ay humantong sa sobrang mataas na kahusayan sa laboratoryo.

Ngayon ang mga siyentipiko mula sa National SLAC Accelerator Laboratory ng Kagawaran ng Enerhiya at Stanford University ay gumagamit ng X-ray laser ng laboratoryo sa kauna-unahang pagkakataon upang obserbahan at direktang masukat ang pagbuo ng polaron. Iniulat nila ang kanilang mga natuklasan sa Mga likas na materyales Enero 4, 2021.

“Ang mga materyal na ito ay kinuha ang lugar ng pagsasaliksik ng enerhiya sa solar dahil sa kanilang mataas na kahusayan at mababang gastos, ngunit ang mga tao ay nagtatalo pa rin tungkol sa kung bakit sila gumagana,” sabi ni Aaron Lindenberg, isang investigator sa Stanford Institute of Materials and Energy Science (SIMES). sa SLAC at isang associate professor sa Stanford na namuno sa pag-aaral.

“Ang ideya ng pagsasangkot sa mga polarons ay nasa paligid ng maraming taon,” sinabi niya. “Ngunit ang aming mga eksperimento sa kauna-unahang pagkakataon na direktang nagmamasid sa pagbuo ng mga lokal na pagbaluktot, kabilang ang kanilang laki, hugis at kung paano sila umunlad.”

Paano napapalaganap ang mga polarons sa pamamagitan ng susunod na henerasyon na materyal na enerhiya

Ipinapakita ng ilustrasyon ang mga polarons – panandaliang pagbaluktot sa atomic lattice ng materyal – sa isang promising susunod na henerasyon na materyal na enerhiya, isang labis na dosis ng hybrid lead. Ang mga siyentipiko mula sa SLAC at Stanford ay nanonood sa kauna-unahang pagkakataon kung paano ang mga “bula” na pagbaluktot na form na ito sa paligid ng mga charge carrier – mga electron at butas na inilabas ng light pulses – na ipinapakita dito ng mga maliliwanag na spot. Ang prosesong ito ay maaaring makatulong na ipaliwanag kung bakit ang mga electron ay naglalakbay nang napakahusay sa mga materyal na ito, na humahantong sa mataas na pagganap ng solar cell. May-akda: Greg Stewart / National SLAC Accelerator Laboratory

Kamangha-manghang, kumplikado at mahirap maunawaan

Ang Perovskites ay mga mala-kristal na materyales na pinangalanang pagkatapos ng mineral perevskite, na may katulad na istraktura ng atomic. Sinimulan ng pagsasama ng mga siyentista sa mga solar panel mga isang dekada na ang nakalilipas, at ang kahusayan ng mga cell na ito sa pag-convert ng sikat ng araw sa enerhiya ay patuloy na dumarami, sa kabila ng katotohanang ang kanilang mga bahagi ng pre-skit ay maraming mga depekto na dapat makahadlang sa kasalukuyang daloy.

Ang mga materyal na ito ay napaka-kumplikado at mahirap maunawaan, sinabi ni Lindenberg. Habang ang mga siyentipiko ay nakikita silang kapana-panabik dahil pareho silang mabisa at madaling gawin, na nagdaragdag ng posibilidad na magagawa nilang gawing mas mura ang mga solar panel kaysa sa mga silikon ngayon, sila rin ay hindi masyadong matatag, nasisira kapag nahantad sa hangin at naglalaman ng lead na kinakailangan mag-imbak sa labas ng kapaligiran.

Ang nakaraang pananaliksik sa SLAC ay napag-alam ang likas na katangian ng pereskits gamit ang isang “electronic camera” o X-ray. Kabilang sa iba pang mga bagay, natagpuan nila na ang ilaw ay nagpapalipat-lipat ng mga atomo sa pereskites, at sinusukat ang habang buhay ng mga phonon na tunog – mga alon ng tunog – na naglilipat ng init sa pamamagitan ng mga materyales.

Para sa pag-aaral na ito, ginamit ng koponan ni Lindenberg ang Linac coherent light source (LCLS), isang malakas na libreng X-ray na elektronikong laser na maaaring sumasalamin ng mga materyales na may humigit-kumulang mga detalye ng atomic at makukuha ang mga paggalaw ng atomic na nagaganap sa mga milyon-milyon ng isang bilyon-bilyon ng isang segundo. Sinuri nila ang solong mga kristal ng materyal na na-synthesize ng isang pangkat ng mga associate professor na si Hemomala Karunadasa sa Stanford.

Pinindot nila ang isang maliit na sample ng materyal na may ilaw mula sa isang optical laser at pagkatapos ay gumamit ng isang X-ray laser upang obserbahan kung paano tumugon ang materyal sa sampu-sampung trilyong segundo.

Mabilis na lumalawak ang mga polarons

Tulad ng ipinapakita ng animasyong ito, ang mga pagbaluktot ng polaron ay nagsisimula nang napakaliit at mabilis na lumalawak sa labas sa lahat ng direksyon sa isang diameter na mga 5 bilyon ng isang metro, na tumataas ng halos 50 beses. Itinutulak nito ang tungkol sa 10 mga layer ng mga atomo na bahagyang palabas sa isang tinatayang spherical na rehiyon para sa sampu-sampung mga picoseconds o trillionths ng isang segundo. Ang mga pagbaluktot na ito ay unang sinusukat sa hybrid lead peregrines gamit ang isang X-ray electron laser sa National SLAC Accelerator Laboratory. May-akda: Greg Stewart / National SLAC Accelerator Laboratory

Ang mga bula ng distorsyon ay lumalawak

“Kapag inilagay mo ang isang singil sa isang materyal sa pamamagitan ng pag-arte dito nang may ilaw, tulad ng kung ano ang nangyayari sa isang solar cell, pinakawalan ang mga electron, at ang mga libreng elektron ay nagsisimulang gumalaw sa materyal,” sabi ni Burak Guzelturk, isang siyentista sa DOE National Argon Laboratory. na isang estudyante ng doktor sa Stanford sa oras ng mga eksperimento.

“Di-nagtagal ay napapaligiran sila at nababalutan ng isang uri ng bula ng lokal na pagbaluktot – ang polaron – na naglalakbay kasama nila,” aniya. “Ang ilang mga tao na inaangkin na ang ‘bubble’ na ito ay pinoprotektahan ang mga electron mula sa pagkalat ng mga materyal na depekto at tumutulong na ipaliwanag kung bakit sila ay mabisa na nakadirekta sa contact ng solar cell upang tumagas sa anyo ng elektrisidad.”

Ang istraktura ng hybrid pereskit lattice ay may kakayahang umangkop at malambot – tulad ng “kamangha-manghang kumbinasyon ng solid at likido nang sabay,” tulad ng sinabi ni Lindenberg – at iyan ang nagbibigay-daan sa polaron na bumuo at lumago.

Ipinakita ng kanilang mga obserbasyon na ang mga pagbaluktot ng polaron ay nagsisimula ng napakakaunting – sa sukat ng maraming mga angstroms, humigit-kumulang sa isang distansya sa pagitan ng mga atomo sa isang solid – at mabilis na palawakin palabas sa lahat ng mga direksyon sa isang diameter ng tungkol sa 5 bilyon ng isang metro, na halos 50 beses na nagpapalaki. Itinutulak nito ang tungkol sa 10 mga layer ng mga atomo na bahagyang palabas sa isang tinatayang spherical na rehiyon para sa sampu-sampung mga picoseconds o trillionths ng isang segundo.

“Ang pagbaluktot na ito ay talagang malaki, na hindi namin alam dati,” sabi ni Lindenberg. “Ito ay isang bagay na ganap na hindi inaasahan.”

Idinagdag niya: “Bagaman ang eksperimentong ito ay nagpapakita nang direkta hangga’t maaari na ang mga bagay na ito ay mayroon, hindi ito ipinapakita kung paano sila nag-aambag sa kahusayan ng solar cell. Kailangan ng karagdagang trabaho upang maunawaan kung paano nakakaapekto ang mga prosesong ito sa mga pag-aari ng mga materyal na ito.”

Sanggunian: “Ang pagpapakita ng mga pabago-bagong mga patlang ng polar ng mga pagpapapangit sa hybrid halogenated hydrogen peroxide” ni Burak Guzelturk, Thomas Winkler, Tim J. Van de Gore, Matthew D. Smith, Sean A. Burel, Sasha Feldman, Marian Trig, Samuel W. Teitelbaum, Hans -Georg Steinruk, Gilberto A. de la Pen, Roberto Alonso-Mori, Dealing Zhu, Takahir Sato, H Karunadasa, Michael F. Tony, Felix Dashler at Aaron M. Lindenberg, Enero 4, 2021, Mga likas na materyales.
DOI: 10.1038 / s41563-020-00865-5

Ang LCLS ay isang institusyon ng gumagamit ng DOE Office of Science. Si Lindenberg ay isang mananaliksik din sa Stanford Impulse Institute, na, tulad ng SIMES, ay isang pinagsamang SLAC at Stanford institute. Ang mga siyentista mula sa Cambridge University sa UK; Unibersidad ng Aarhus sa Denmark; at ang Unibersidad ng Paderborn at ang Teknikal na Unibersidad ng Munich sa Alemanya ay nag-ambag din sa pag-aaral na ito. Ang pangunahing pagpopondo ay nagmula sa DOE Science Office.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Pinagbubuti ng bagong disenyo ang kahusayan ng mga susunod na henerasyong Perovskite solar panel

May-akda David L. Chandler, Massachusetts Institute of Technology Pebrero 27, 2021 Ipinapakita ng imaheng ito ang mga photovoltaic compound ng pereuskite na may mga indibidwal na...

Sinabi ng mga mananaliksik na natuklasan nila ang mga misteryo ng mga buwan ng Mars

Ang artista ay maaaring pinagmulan ng pilosopiya at ang pagkamatay ng hidwaan sa pagitan ng unang buwan ng Mars at mga asteroid. Kredito:...

Mga pagkakasunud-sunod ng 64 Perpektong Mga Genome ng Tao upang mas mahusay na makuha ang pagkakaiba-iba ng genetiko

Gusali ng genome. Utang: NIH Ang Susunod na Mga Genome ng Tao ay Magsisilbing isang Bagong Sanggunian para sa Pagpaplano ng Genetic Genetic at...

Patuloy na sinusubaybayan ng bagong patch ng balat ang mga signal ng cardiovascular at antas ng biochemical

Ang malambot na nababanat na patch na ito ay maaaring sabay na kontrolin ang presyon ng dugo at antas ng biochemical ng isang gumagamit....

Ang unang pandaigdigang pagtatantya na ang kalikasan ay gumagamot ng 41.7 milyong toneladang basura ng tao sa isang taon

Ipinapakita ng larawang ito ang hindi ginagamot na dumi sa alkantarilya malapit sa mga pakikipag-ayos sa Peri-urban Hyderabad. Kredito: Tishat Poonthu Ayon sa mga...

Newsletter

Subscribe to stay updated.