Neutronenverstrooiing heeft onthuld, live, de fundamentele mechanismen achter de omzetting van zonlicht in energie in hybride perovskietmaterialen. Een beter begrip van dit gedrag zal fabrikanten in staat stellen om zonnecellen efficiënter te ontwerpen.

Het multi-institutionele team van onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, Hunan University en de University of Nebraska-Lincoln gebruikten fotoluminescentiemetingen, samen met neutronen- en röntgenverstrooiing, om de relatie tussen de microscopische structuur van het materiaal en zijn opto-elektronische eigenschappen te bestuderen. Door het materiaal onder verschillende temperatuurgraden te onderzoeken, de onderzoekers waren in staat om atomaire structurele veranderingen te volgen en vast te stellen hoe waterstofbinding een sleutelrol speelt in de prestaties van het materiaal. Hun resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

Hybride perovskieten beloven efficiënter te zijn in het omzetten van licht in energie dan traditionele zonnecelmaterialen. Ze zijn ook gemakkelijker te vervaardigen omdat ze uit een oplossing kunnen worden gegoten en geen hoogvacuümkamers nodig hebben voor synthese.

In tegenstelling tot hun enkelvoudige silicium- of germaniumtegenhangers, hybride perovskieten zijn gemaakt van zowel organische als anorganische moleculen. De structuur is opgebouwd uit anorganische lood- en broommoleculen die zijn gerangschikt in octaëdrische eenheden die kooien vormen rond de organische methylammoniumkationen (positief geladen ionen) bestaande uit koolstof, stikstof en waterstof.

"Het voordeel van het hebben van zowel organische als anorganische moleculen in een goed gedefinieerde kristalstructuur betekent dat we het materiaal kunnen aanpassen door de ene of de andere groep af te stemmen om de eigenschappen te optimaliseren, " zei Kai Xiao, een onderzoeker bij ORNL's Centre for Nanophase Materials Sciences. "Maar hoewel onderzoekers deze materialen al enkele jaren bestuderen, we begrijpen op een fundamenteel niveau nog steeds niet volledig hoe de organische componenten de eigenschappen beïnvloeden."

Het vinden van de juiste combinatie en moleculaire oriëntatie van de organische/anorganische componenten is de sleutel tot het ontsluiten van meer functionaliteit, maar het begrijpen van die interacties vereist de juiste tools.

"Neutronen zijn hier erg goed in omdat ze gevoelig zijn voor lichtere elementen zoals waterstof, " zei ORNL-instrumentwetenschapper Xiaoping Wang. "Omdat we elk neutron kunnen volgen, we krijgen informatie over zaken als waar de atomen zijn, wat hun temperatuur is, en hoe ze zich gedragen."

Met behulp van het TOPAZ-instrument bij ORNL's Spallation Neutron Source, het team was in staat om de waterstofbindingsinteracties op atomaire schaal te observeren.

Het experiment onthulde dat het materiaal significante structurele veranderingen ondergaat tussen ongeveer 150 en 130 Kelvin (ongeveer -190 en -225 graden Fahrenheit). Het afkoelen van het materiaal vertraagde de beweging van de organische component naar een geordende toestand, waarin nauwkeurige in situ metingen in realtime werden gedaan om precies te zien hoe de organische moleculen zich via waterstofbruggen aan de lood-broomcomponent binden.

"We zagen dat de volgorde direct gerelateerd is aan de waterstofbinding in de structuur, en hoe eventuele veranderingen de energiekloof van het materiaal kunnen beïnvloeden, "Zei Wang. "Dat laat ons weten hoe goed zonlicht wordt geabsorbeerd en wat dat zou kunnen betekenen in termen van toepassingen voor fotovoltaïsche materialen."

Complementaire fotoluminescentie- en röntgenverstrooiingsmetingen, samen met kristalsynthese, werden uitgevoerd bij CNMS. Theoretische berekeningen werden uitgevoerd door wetenschappers van de afdeling Materials Science and Technology van ORNL.

"Hybride perovskieten zijn al een goed materiaal, " zei Xiao. "Nu we weten hoe de oriëntatie van de organische moleculen de kristalstructuur beïnvloedt, en hoe we ze verder kunnen afstemmen om de gewenste eigenschappen te veranderen, dit nieuwe fundamentele begrip stelt ons in staat om nieuwe materialen te ontwerpen met een nog groter potentieel."