(Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory) Polaronen sind wichtige nanoskalige Phänomene: eine vorübergehende Konfiguration zwischen Elektronen und Atomen (bekannt als Quasiteilchen ), die nur für Billionstelsekunden existieren.
Diese Konfigurationen weisen einzigartige Eigenschaften auf, die uns helfen können, einige der mysteriösen Verhaltensweisen der Materialien, die sie in ihrem Inneren bilden, zu verstehen – und Wissenschaftler haben sie gerade zum ersten Mal beobachtet.
Polaronen wurden in Blei-Hybrid-Perowskiten gemessen, Solarzellenmaterialien der nächsten Generation versprechen zu steigern Umwandlungsraten, die über die heute hauptsächlich verwendeten Siliziumpaneele hinausgehen. Wissenschaftler hoffen, dass Polaron-Beobachtungen dazu beitragen werden, uns genau zu erklären, wie Perowskite Sonnenlicht so gut in Elektrizität umwandeln.
Um die Polaronen zu finden, richteten Wissenschaftler Licht auf Einkristalle von Blei-Hybrid-Perowskiten und beobachteten sie mit einem riesigen Röntgenlaser mit freien Elektronen namens Kohärente Lichtquelle (LCLS) – ist in der Lage, Materialien in kleinsten Maßstäben in kürzester Zeit abzubilden, bis hin zu Billionstelsekunden (bzw Pikosekunden ).
(Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory)
Oben: Illustration von Polaronen in Blei-Hybrid-Perowskit.
„Wenn man einem Material eine Ladung verleiht, indem man es mit Licht trifft, wie es in einer Solarzelle passiert, werden Elektronen freigesetzt und diese freien Elektronen beginnen, sich um das Material zu bewegen.“ sagt der Physiker Burak Guzeltürk vom Argonne National Laboratory, betrieben vom US-Energieministerium.
„Bald werden sie von einer Art Blase lokaler Verzerrung – dem Polaron – umgeben und eingehüllt, die mit ihnen wandert.“ Einige Leute haben argumentiert, dass diese Blase Elektronen vor der Streuung an Defekten im Material schützt und erklärt, warum sie so effizient zum Kontakt der Solarzelle wandern, um als Elektrizität auszuströmen.
So vielversprechend Perowskite als Material für Solarpaneele auch sind, es ist nicht ganz klar, warum: Sie haben viele Defekte, die den Stromfluss durch sie einschränken sollten, und sie sind notorisch zerbrechlich und instabil. Polaronen könnten einige Antworten liefern.
Bei diesen Polaronen handelt es sich im Wesentlichen um kurze Wanderverzerrungen der atomaren Gitterstruktur des Materials, die sich nachweislich um etwa zehn Atomschichten nach außen verschieben. Die Verzerrung vergrößerte den Abstand der umgebenden Atome innerhalb von mehreren zehn Pikosekunden um etwa das Fünfzigfache – auf fünf Milliardstel Meter.
Die winzigen Verzerrungen oder Blasen waren größer als von den Wissenschaftlern erwartet und konnten sich durch die flexible und weiche Atomgitterstruktur des Hybridperowskits bewegen. Das Material verhält sich in gewisser Weise gleichzeitig wie ein Feststoff und eine Flüssigkeit.
„Diese Materialien haben das Feld der Solarenergieforschung aufgrund ihrer hohen Effizienz und niedrigen Kosten im Sturm erobert, aber es gibt immer noch Diskussionen darüber, warum sie funktionieren.“ sagt der Materialwissenschaftler Aaron Lindenberg von der Stanford University.
„Die Idee, dass Polaronen beteiligt sein könnten, gibt es schon seit einigen Jahren, aber unsere Experimente sind die ersten, die die Entstehung dieser lokalen Verzerrungen direkt beobachten, einschließlich ihrer Größe, Form und wie sie sich entwickeln.“
Während Perowskite es sind bereits im Einsatz Bei der Solarenergieerzeugung, oft in Kombination mit Silizium, sind sie nicht ohne Herausforderungen – obwohl wir große gesehen haben Effizienzgewinne Aufgrund dieser Materialien wird vermutet, dass sie zu noch mehr fähig sind.
Im Laufe der Jahre machen Wissenschaftler weiter Hürden überwinden die den Wirkungsgrad von Solarmodulen niedriger gehalten haben, als er sein sollte, und da unsere Abhängigkeit von Solarparks zunimmt, können Verbesserungen von nur wenigen Prozentpunkten einen großen Unterschied machen.
Die Forscher hinter der Polaron-Entdeckung möchten jedoch betonen, dass sie noch nicht alle Fragen rund um diese Quasiteilchen beantwortet haben – und es gibt noch viel mehr über ihre Auswirkungen auf Perowskite und andere Materialien zu erfahren.
„Während dieses Experiment so direkt wie möglich zeigt, dass diese Objekte tatsächlich existieren, zeigt es nicht, welchen Beitrag sie zur Effizienz einer Solarzelle leisten.“ sagt Lindenberg . „Es muss noch weiter daran gearbeitet werden, zu verstehen, wie sich diese Prozesse auf die Eigenschaften dieser Materialien auswirken.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturmaterialien .