Поляроны - это мимолетные искажения в атомной решетке материала, которые формируются вокруг движущегося электрона за несколько триллионных долей секунды, а затем быстро исчезают. Какими бы эфемерными они ни были, они влияют на поведение материала и могут даже быть причиной того, что солнечные элементы, изготовленные из свинцовых гибридных перовскитов, достигают необычайно высокой эффективности в лаборатории.

Теперь ученые из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики и Стэнфордского университета впервые использовали рентгеновский лазер для наблюдения и непосредственного измерения образования поляронов. Сегодня они сообщили о своих находках в материалах Nature.

"Эти материалы взяли штурмом область исследований солнечной энергии из-за их высокой эффективности и низкой стоимости, но люди все еще спорят о том, почему они работают", - сказал Аарон Линденберг, исследователь из Стэнфордского института материалов и энергетических наук (SIMES) в SLAC и адъюнкт-профессор Стэнфорда, который руководил исследованием.

"Идея о том, что в этом могут быть замешаны поляроны, существует уже несколько лет", - сказал он. "Но наши эксперименты являются первыми, кто непосредственно наблюдает образование этих локальных искажений, включая их размер, форму и то, как они развиваются."

Захватывающе, сложно и трудно понять

Перовскиты-это кристаллические материалы, названные в честь минерала перовскита, который имеет аналогичную атомную структуру. Ученые начали внедрять их в солнечные элементы около десяти лет назад, и эффективность этих элементов при преобразовании солнечного света в энергию неуклонно растет, несмотря на то, что их перовскитные компоненты имеют множество дефектов, которые должны препятствовать протеканию тока.

Эти материалы, как известно, сложны и трудны для понимания, сказал Линденберг. Хотя ученые находят их захватывающими, потому что они эффективны и просты в изготовлении, что повышает вероятность того, что они могут сделать солнечные элементы дешевле, чем современные кремниевые элементы, они также очень нестабильны, разрушаются при воздействии воздуха и содержат свинец, который должен быть удален из окружающей среды.

Предыдущие исследования в SLAC изучали природу перовскитов с помощью "электронной камеры" или рентгеновских лучей. Среди прочего, они обнаружили, что свет вращает атомы в перовскитах, а также измерили время жизни акустических фононов-звуковых волн, которые переносят тепло через материалы.

Для этого исследования команда Линденберга использовала лабораторный источник когерентного света Linac (LCLS), мощный рентгеновский лазер на свободных электронах, который может отображать материалы в почти атомных деталях и захватывать атомные движения, происходящие за миллионные доли миллиардной секунды. Они рассматривали монокристаллы материала, синтезированного группой адъюнкт-профессора Хемамалы Карунадасы в Стэнфорде.

Они поразили небольшой образец материала светом оптического лазера, а затем использовали рентгеновский лазер, чтобы наблюдать, как материал реагирует в течение десятков триллионных долей секунды.

Расширяющиеся пузыри искажения

"Когда вы помещаете заряд в материал, ударяя его светом, как это происходит в солнечном элементе, электроны освобождаются, и эти свободные электроны начинают двигаться вокруг материала", - сказал Бурак Гузельтурк, ученый из Аргоннской национальной лаборатории ДОУ, который был постдокторским исследователем в Стэнфорде во время экспериментов.

- Вскоре они окружены и поглощены чем—то вроде пузыря локального искажения—поляроном, - который движется вместе с ними, - сказал он. "Некоторые люди утверждают, что этот "пузырь" защищает электроны от рассеяния от дефектов в материале и помогает объяснить, почему они так эффективно перемещаются к контакту солнечного элемента, чтобы вытекать в виде электричества."

Гибридная решетчатая структура перовскита гибкая и мягкая-как "странное сочетание твердого и жидкого одновременно", как выразился Линденберг,—и именно это позволяет поляронам формироваться и расти.

Их наблюдения показали, что поляронные искажения начинаются очень мало-в масштабе нескольких Ангстрем, примерно расстояния между атомами в твердом теле-и быстро расширяются наружу во всех направлениях до диаметра около 5 миллиардных долей метра, что примерно в 50 раз больше. Это подталкивает около 10 слоев атомов немного наружу в пределах примерно сферической области в течение десятков пикосекунд или триллионных долей секунды.

"Это искажение на самом деле довольно велико, чего мы раньше не знали", - сказал Линденберг. -Это что-то совершенно неожиданное."

Он добавил: "Хотя этот эксперимент показывает, насколько это возможно, что эти объекты действительно существуют, он не показывает, как они влияют на эффективность солнечного элемента. Предстоит еще многое сделать, чтобы понять, как эти процессы влияют на свойства этих материалов."

ИСТОЧНИК