Мультиустановленная команда исследователей из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики, Университета Хунани и Университета Небраски-Линкольна использовала измерения фотолюминесценции, наряду с нейтроном и рассеиванием рентгена, чтобы изучить отношения между микроскопической структурой материала и ее оптикоэлектронными свойствами. Исследуя материал под различными степенями температуры, исследователи смогли отследить атомные структурные изменения и установить, как водородное соединение играет ключевую роль в работе материала. Их результаты изданы в журнале Advanced Materials.Гибридные перовскиты открывают перспективу, чтобы быть более эффективными в преобразовании света в энергию, чем традиционные материалы солнечной батареи.
Их также легче произвести, поскольку они могут быть составом исполнителей вращения из решения и не требуют палат высокого вакуума для синтеза.В отличие от их исключительных кремниевых или германиевых коллег, гибридные перовскиты сделаны и из органических и из неорганических молекул. Структура построена из неорганических молекул свинца и брома, устроенных в восьмигранных единицах, которые формируют клетки вокруг органических methylammonium катионов (положительно заряженные ионы) состоящий из углерода, азота и водорода.
«Преимущество наличия и органические и неорганические молекулы в четко определенной кристаллической структуре означает, что мы можем скроить материал, настроившись или одну группу или другой, чтобы оптимизировать свойства», сказал Кай Сяо, исследователь в Центре ORNL Материаловедения Нанофазы. «Но даже при том, что исследователи изучали эти материалы в течение нескольких лет, мы все еще не полностью понимаем на фундаментальном уровне, как органические компоненты затрагивают свойства».Нахождение правильной комбинации и молекулярной ориентации органических/неорганических компонентов является ключом к открытию большей функциональности, но понимание тех взаимодействий требует правильных инструментов.«Нейтроны очень хороши в этом, потому что они чувствительны к более легким элементам как водород», сказал ученый инструмента ORNL Сяопин Ван. «Поскольку мы в состоянии отследить каждый нейтрон, мы получаем информацию о вещах как то, где атомы, что их температура, и как они ведут себя».Используя инструмент ТОПАЗА в Источнике Нейтрона Расщепления ядра ORNL, команда смогла наблюдать взаимодействия соединения водорода в уровне атомов.
Эксперимент показал, что материал претерпевает значительные структурные изменения приблизительно между 150 и 130 Келвином (примерно-190 и-225 градусами по Фаренгейту). Охлаждение материала замедлило движение органического компонента в заказанное государство, в котором точные измерения на месте были сделаны в режиме реального времени, чтобы наблюдать точно, как органические молекулы связывали с компонентом ведущего брома через водородные связи.
«Мы видели, что заказ непосредственно связан с водородом, сцепляющимся в структуре, и как любые изменения могут затронуть энергетический кризис материала», сказал Ван. «Это сообщает нам, как хорошо солнечный свет поглощается и что это могло означать с точки зрения заявлений на фотогальванические материалы».Дополнительная фотолюминесценция и измерения рассеивания рентгена, наряду с кристаллическим синтезом, проводились в CNMS.
Теоретические вычисления были выполнены учеными в Материаловедении и Отделе технологий ORNL.«Гибридные перовскиты уже – хороший материал», сказал Сяо. «Теперь, когда мы знаем, как ориентация органических молекул влияет на кристаллическую структуру, и как мы можем настроить их далее, чтобы изменить желаемые свойства, это новое фундаментальное понимание позволит нам проектировать новые материалы с еще большим потенциалом».