Polaronen zijn vluchtige vervormingen in het atomaire rooster van een materiaal die zich in een paar biljoensten van een seconde rond een bewegend elektron vormen, dan snel verdwijnen. Hoe kortstondig ze ook zijn, ze beïnvloeden het gedrag van een materiaal, en kan zelfs de reden zijn dat zonnecellen gemaakt met loodhybride perovskieten buitengewoon hoge efficiënties behalen in het laboratorium.

Nu hebben wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University de röntgenlaser van het laboratorium voor het eerst gebruikt om de vorming van polaronen te bekijken en direct te meten. Ze rapporteerden hun bevindingen in Natuurmaterialen vandaag.

"Deze materialen hebben het veld van zonne-energieonderzoek stormenderhand veroverd vanwege hun hoge efficiëntie en lage kosten, maar mensen maken nog steeds ruzie over waarom ze werken, " zei Aaron Lindenberg, een onderzoeker bij het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) bij SLAC en universitair hoofddocent aan Stanford die het onderzoek leidde.

"Het idee dat er polarons bij betrokken kunnen zijn, bestaat al een aantal jaren, " zei hij. "Maar onze experimenten zijn de eerste die de vorming van deze lokale vervormingen direct observeren, inclusief hun grootte, vorm en hoe ze evolueren."

Spannend, ingewikkeld en moeilijk te begrijpen

Perovskieten zijn kristallijne materialen genoemd naar het mineraal perovskiet, die een vergelijkbare atomaire structuur heeft. Wetenschappers begonnen ze ongeveer tien jaar geleden in zonnecellen op te nemen, en de efficiëntie van die cellen bij het omzetten van zonlicht in energie is gestaag toegenomen, ondanks het feit dat hun perovskietcomponenten veel defecten hebben die de stroomstroom zouden moeten remmen.

Deze materialen zijn beroemd complex en moeilijk te begrijpen, zei Lindenberg. Hoewel wetenschappers ze opwindend vinden omdat ze zowel efficiënt als gemakkelijk te maken zijn, de mogelijkheid vergroten dat ze zonnecellen goedkoper kunnen maken dan de huidige siliciumcellen, ze zijn ook zeer onstabiel, breken af ​​bij blootstelling aan lucht en bevatten lood dat uit het milieu moet worden gehouden.

Eerdere studies bij SLAC hebben zich verdiept in de aard van perovskieten met een "elektronencamera" of met röntgenstralen. Onder andere, ze onthulden dat licht atomen ronddraait in perovskieten, en ze maten ook de levensduur van akoestische fononen - geluidsgolven - die warmte door de materialen transporteren.

Voor deze studie is Het team van Lindenberg gebruikte de Linac Coherent Light Source (LCLS) van het lab, een krachtige röntgenvrije-elektronenlaser die materialen in bijna atomaire details kan afbeelden en atomaire bewegingen kan vastleggen die plaatsvinden in miljoenste van een miljardste van een seconde. Ze keken naar enkele kristallen van het materiaal dat werd gesynthetiseerd door de groep van universitair hoofddocent Hemamala Karunadasa in Stanford.

Ze raakten een klein monster van het materiaal met licht van een optische laser en gebruikten vervolgens de röntgenlaser om te observeren hoe het materiaal reageerde in de loop van tientallen biljoensten van een seconde.

Uitzettende bellen van vervorming

"Als je een materiaal oplaadt door er licht op te slaan, zoals wat er in een zonnecel gebeurt, elektronen komen vrij, en die vrije elektronen beginnen rond het materiaal te bewegen, " zei Burak Güzelturk, een wetenschapper bij DOE's Argonne National Laboratory die ten tijde van de experimenten een postdoctoraal onderzoeker was aan Stanford.

"Al snel worden ze omringd en verzwolgen door een soort bel van lokale vervorming - de polaron - die met hen mee reist, " zei hij. "Sommige mensen hebben beweerd dat deze 'bubbel' elektronen beschermt tegen verstrooiing van defecten in het materiaal, en helpt verklaren waarom ze zo efficiënt naar het contact van de zonnecel reizen om als elektriciteit naar buiten te stromen."

De hybride perovskiet-roosterstructuur is flexibel en zacht - als "een vreemde combinatie van een vaste stof en een vloeistof tegelijkertijd, " zoals Lindenberg het zegt - en dit is wat ervoor zorgt dat polarons zich kunnen vormen en groeien.

Hun waarnemingen onthulden dat polaronische vervormingen heel klein beginnen - op de schaal van een paar angström, over de afstand tussen atomen in een vaste stof - en snel naar buiten uitzetten in alle richtingen tot een diameter van ongeveer 5 miljardste van een meter, wat ongeveer een 50-voudige toename is. Dit duwt ongeveer 10 lagen atomen iets naar buiten binnen een ruwweg bolvormig gebied in de loop van tientallen picoseconden, of biljoensten van een seconde.

"Deze vervorming is eigenlijk vrij groot, iets wat we nog niet eerder wisten, "Zei Lindenberg. "Dat is iets totaal onverwachts."

Hij voegde toe, "Hoewel dit experiment zo direct mogelijk laat zien dat deze objecten echt bestaan, het laat niet zien hoe ze bijdragen aan de efficiëntie van een zonnecel. Er is nog veel werk aan de winkel om te begrijpen hoe deze processen de eigenschappen van deze materialen beïnvloeden."