中子对混合钙钛矿太阳能电池性能的影响

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中子散射揭示了在混合钙钛矿材料中太阳光转化为能量的基本机制。更好地理解这种行为将使制造商能够设计具有提高效率的太阳能电池。

图片说明:中子相互作用揭示了杂化钙钛矿的斜方晶系结构,由甲基铵阳离子的氮取代基与角连接PBBR6八面体上的溴化物之间的强氢键稳定。图像信用:ONL/ Jill Hemman

来自美国能源部橡树岭国家实验室、湖南大学和内布拉斯加大学林肯分校的研究人员使用了光致发光测量,以及中子和X射线散射,研究了材料的MIC之间的关系。晶体结构及其光电特性通过研究不同温度下的材料,研究人员能够跟踪原子结构变化,并确定氢键在材料性能中的关键作用。他们的研究结果发表在《高级材料》杂志上。

混合钙钛矿具有比传统的太阳能电池材料更有效地将光转换成能量的能力。它们也易于制造,因为它们可以从溶液中旋铸,并且不需要用于合成的高真空室。

不同于它们的单晶硅或锗,杂化钙钛矿由有机和无机分子构成。该结构是由八面体单元中的无机铅和溴分子构建而成的,形成碳、氮和氢组成的有机甲基阳离子(正电荷离子)周围的笼。

Ornl纳米材料科学中心的研究员凯晓说:“有机和无机分子在一个定义良好的晶体结构中的优势意味着我们可以通过调整一个或另一个组来优化材料的性能。”“但是,尽管研究人员一直在研究SeVeA+的这些材料——多年来,我们仍然不能从根本上完全理解有机成分是如何影响性能的。”

找到合适的组合和分子取向的有机/无机组分是解锁更多功能的关键,但理解这些相互作用需要正确的工具。

“中子很好,因为它们对氢等轻元素敏感,”ORNL仪器科学家萧平望说。因为我们能够追踪每一个中子,我们可以得到有关原子的位置、温度和行为的信息。

使用OrnL散裂中子源的黄晶仪器,该团队能够观察到原子尺度上的氢键相互作用。

实验表明,材料在大约150和130欧凯文(大约190和225华氏度)之间经历了显著的结构变化。冷却材料使有机组分的运动减缓为有序状态,其中实时地进行精确的原位测量,以精确地观察有机分子通过氢键与铅溴组分的结合。

王说:“我们看到有序与结构中的氢键直接相关,以及任何变化都会影响材料的能隙。”“这让我们知道阳光是如何被吸收的,这对光伏材料的应用意味着什么。”

互补光致发光和X-射线散射测量,连同晶体合成,在CNMS进行。理论计算是由Ornl的材料科学与技术司的科学家们进行的。

“混合钙钛矿已经是一种很好的材料,”萧说。“现在,我们知道有机分子的取向如何影响晶体结构,以及我们如何进一步调整它们以改变所需的性质,这种新的基本理解将使我们能够设计具有更大潜力的新材料。”

萧和王的合著者包括主要作者斌洋、文美冥、毛华独、Jong K. Keum、Alexander A. Puretzky、Alexander A. Puretzky、Y、和。

该研究得到了美国能源部科学办公室的支持。散裂中子源和纳米材料科学中心是科学用户设施的DOE办公室。ORNL由美国能源部科学研究所的UT巴特尔管理,这是美国物理科学基础研究的最大支持者。美国能源部的科学办公室正致力于解决我们这个时代最紧迫的挑战。欲了解更多信息,请点击这里。

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