Rozptyl neutrónov odhalil v reálnom čase základné mechanizmy za premenou slnečného svetla na energiu v hybridných perovskitových materiáloch. Lepšie pochopenie tohto správania umožní výrobcom navrhnúť solárne články so zvýšenou účinnosťou.

Multiinštitucionálny tím výskumníkov z Národného laboratória Oak Ridge Energy Department v Hunanskej univerzite a University of Nebraska-Lincoln použil merania fotoluminiscencie spolu s rozptylom neutrónov a röntgenových lúčov na štúdium vzťahu medzi mikroskopickou štruktúrou materiálu a jeho optoelektronické vlastnosti.

Skúmaním materiálu v rôznych teplotách, výskumníci mohli sledovať atómové štrukturálne zmeny a zistili, ako vodíkové väzby zohrávajú kľúčovú úlohu vo výkonnosti materiálu. Ich výsledky sú uverejnené v časopise Advanced Materials.

Hybridné perovskity sľubujú, že sú efektívnejšie pri premene svetla na energiu ako tradičné materiály solárnych článkov. Tiež sa ľahšie vyrábajú, pretože sa môžu odlievať z roztoku a nevyžadujú vysokotlakové komory na syntézu.

Na rozdiel od ich singulárnych kremíkových alebo germánskych náprotivkov sú hybridné perovskity vyrobené z organických i anorganických molekúl. Štruktúra je zostavená z anorganických molekúl olova a brómu usporiadaných v oktaedrálnych jednotkách, ktoré tvoria klietky okolo organických metylamóniových katiónov (pozitívne nabité ióny) pozostávajúce z uhlíka, dusíka a vodíka.

"Výhodou toho, že organické aj anorganické molekuly majú dobre definovanú kryštálovú štruktúru, môžeme prispôsobiť materiál ladením jednej alebo druhej skupiny na optimalizáciu vlastností," povedal Kai Xiao, výskumný pracovník Centra ORNL pre nanofázové materiály , "Napriek tomu, že výskumníci už niekoľko rokov študovali tieto materiály, stále na základnej úrovni úplne nerozumieme, ako organické komponenty ovplyvňujú vlastnosti."

Nájdenie správnej kombinácie a molekulárnej orientácie organických / anorganických zložiek je kľúčom k odblokovaniu ďalších funkcií, ale pochopenie týchto interakcií si vyžaduje správne nástroje.

"Neutróny sú v tejto oblasti veľmi dobré, pretože sú citlivé na ľahšie prvky ako vodík," povedal ORNL prístrojový vedec Xiaoping Wang." Pretože sme schopní sledovať každý neutron, získavame informácie o veciach, kde sú atómy, aká je ich teplota a ako sa správajú."

Pomocou nástroja TOPAZ v zdroji Spallation Neutron Source spoločnosti ORNL mohol tím pozorovať interakcie vodíkových väzieb v atómovej mierke.

Experiment odhalil, že materiál prechádza významnými štrukturálnymi zmenami medzi približne 150 a 130 Kelvinmi (zhruba -190 až -225 stupňov Fahrenheita). Chladenie materiálu spomalilo pohyb organickej zložky do usporiadaného stavu, v ktorom boli vykonané presné in situ merania v reálnom čase, aby sa pozorovalo, ako sa organické molekuly viažu na zložku olovo-bróm prostredníctvom vodíkových väzieb.

"Videli sme, že objednávanie priamo súvisí s vodíkovým spojením v štruktúre a ako môžu všetky zmeny ovplyvniť energetickú medzeru materiálu," povedal Wang. "To nám dáva vedieť, ako dobre sa absorbuje slnečné svetlo a čo by mohlo znamenať, pokiaľ ide o aplikácie fotovoltaických materiálov."

Doplnková fotoluminiscencia a merania rozptylu röntgenových lúčov spolu s syntézou kryštálov sa uskutočnili v CNMS. Teoretické výpočty boli vykonané vedcami divízie ORNL pre vedu a technológiu materiálov.

"Hybridné perovskity sú už dobrým materiálom," povedal Xiao. "Teraz, keď vieme, ako orientácia organických molekúl ovplyvňuje štruktúru kryštálov a ako ich môžeme naladiť ďalej na zmenu požadovaných vlastností, toto nové základné pochopenie nám umožní navrhnúť nové materiály s ešte väčším potenciálom."

solardayly/