De zon levert in één uur meer energie aan de aarde dan de mensheid in een heel jaar verbruikt. Wetenschappers over de hele wereld zijn op zoek naar materialen die deze koolstofvrije energie op een kosteneffectieve en efficiënte manier kunnen opvangen en omzetten in elektriciteit.

Perovskieten, een klasse van materialen met een unieke kristalstructuur, zou de huidige technologie voor het oogsten van zonne-energie kunnen inhalen. Ze zijn goedkoper dan de materialen die in de huidige zonnecellen worden gebruikt, en ze hebben opmerkelijke fotovoltaïsche eigenschappen aangetoond - gedrag waarmee ze zonlicht zeer efficiënt in elektriciteit kunnen omzetten.

Het onthullen van de aard van perovskieten op atomaire schaal is van cruciaal belang om hun veelbelovende mogelijkheden te begrijpen. Dit inzicht kan modellen helpen om de optimale samenstelling van perovskietmaterialen voor zonnecellen te bepalen, die kunnen worden gebruikt om voertuigen aan te drijven, elektronische apparaten en zelfs huisverwarming en andere apparaten.

Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) namen deel aan een samenwerking onder leiding van Duke University, samen met DOE's Oak Ridge National Laboratory en andere medewerkers, om de innerlijke werking van een perovskietmateriaal te bestuderen met behulp van de röntgenverstrooiingscapaciteiten van wereldklasse bij Argonne en de neutronenverstrooiingscapaciteiten bij Oak Ridge. Dankzij de verstrooiingscapaciteiten konden de wetenschappers het gedrag van het materiaal op atomaire schaal observeren, en de studie onthulde dat vloeistofachtige beweging in perovskieten kan verklaren hoe ze efficiënt elektrische stromen produceren.

"Er is veel opwinding over deze materialen, maar we begrijpen niet helemaal waarom ze zulke goede fotovoltaïsche systemen zijn, " zei Olivier Delaire van de Duke University, hoofdwetenschapper bij het onderzoek.

Wanneer licht een fotovoltaïsch materiaal raakt, het prikkelt elektronen, hen ertoe aanzetten om uit hun atomen te springen en door het materiaal te reizen, elektriciteit geleiden. Een veelvoorkomend probleem is dat de aangeslagen elektronen kunnen recombineren met de atomen in plaats van door het materiaal te reizen. die de geproduceerde elektriciteit aanzienlijk kan verminderen in verhouding tot de hoeveelheid zonlicht die op het materiaal valt.

"Perovskieten doen het goed in het voorkomen van recombinatie, " zei Ray Osborn van Argonne. "We willen weten welk mechanisme dit veroorzaakt en of we hiervan kunnen leren om betere zonnecellen te maken."

Het team bestudeerde een van de eenvoudigste perovskieten:een verbinding van cesium, lood en broom (CsPbBr ₃ ) - om erachter te komen wat er gaande is op atomaire schaal.

Met behulp van röntgenverstrooiingsmogelijkheden bij de bundellijn (6-ID-D) van Argonne's Magnetic Materials-groep in de Advanced Photon Source van het laboratorium, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, het team legde de gemiddelde posities van de atomen in een perovskietkristal bij verschillende temperaturen vast. Ze ontdekten dat elk loodatoom en de omringende kooi van broomatomen starre eenheden vormen die zich gedragen als moleculen. Deze eenheden oscilleren - of schudden heen en weer - op een vloeistofachtige manier.

"De moleculen in dit materiaal roteren om de andere moleculen alsof ze aan elkaar scharnieren, en rond de scharnieren, de moleculen werken een beetje slap, ' zei Delaire.

Een theorie om uit te leggen hoe perovskieten recombinatie weerstaan, is dat deze vervormingen in het rooster, of kristalstructuur, volg de vrije elektronen terwijl ze het materiaal doorkruisen. De elektronen kunnen het rooster vervormen, het veroorzaken van de vloeistofachtige storingen, die vervolgens voorkomen dat ze terugvallen in hun gastheeratomen. deze theorie, die wordt ondersteund door de nieuwe experimentele resultaten, kan nieuwe inzichten opleveren in het ontwerpen van optimale perovskietmaterialen voor zonnecellen.

De gegevens geven ook aan dat moleculen in het materiaal oscilleren binnen tweedimensionale vlakken, zonder beweging over vliegtuigen - vergelijkbaar met een carnavalsrit die alleen van links naar rechts zwaait, maar nooit van voor naar achter. De tweedimensionale aard van de kristalvervormingen zou nog een puzzelstukje kunnen zijn om uit te leggen hoe de perovskiet elektronenrecombinatie kan voorkomen, bijdragen aan de efficiëntie van het materiaal.

Volgens Osborn, de tweedimensionale patronen in de röntgenverstrooiingsgegevens waren nog nooit gezien. "Op basis van deze onverwachte metingen, we wilden nog dieper graven door niet alleen te kijken naar gemiddelde atoomposities, maar hoe de atomen in realtime bewegen, " hij zei.

Om de beweging van de atomen direct te onderzoeken, het team gebruikte neutronenverstrooiingscapaciteiten bij de Spallation Neutron Source, een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit in het Oak Ridge National Laboratory. Onderzoekers van de Materials Science-divisie van Argonne en de Northwestern University hebben de grote, centimeter-schaal kristallen die nodig zijn voor de neutronenmetingen.

De neutronenverstrooiing bevestigde het onvoorziene patroon dat werd gezien in het röntgenverstrooiingsexperiment, maar toonde, in aanvulling op, dat het bijna geen energie kost om de moleculen in twee dimensies te laten oscilleren. Dit helpt verklaren waarom de aangeslagen elektronen het rooster zo gemakkelijk kunnen vervormen.

"Dit werk is een prachtig voorbeeld van de complementariteit van neutronen en röntgenstralen bij het onthullen van zowel de structuur als de dynamiek van complexe materialen, " zei Osborn, die bij beide metingen betrokken was.

De studie is een stap om ten volle te profiteren van de grotendeels onbenutte hernieuwbare energie van de zon, die aanzienlijke gevolgen kunnen hebben voor zowel het milieu als de economie.