Многопрофильная группа исследователей из Национальной лаборатории Окриджа Министерства энергетики, Университета Хунань и Университета Небраски-Линкольн использовала измерения фотолюминесценции, а также рассеяние нейтронов и рентгеновских лучей, чтобы изучить взаимосвязь между микроскопической структурой материала и его структурой. оптоэлектронные свойства. Изучая материал при различных температурах, исследователи смогли отследить структурные изменения атомов и установить, как водородные связи играют ключевую роль в характеристиках материала. Их результаты опубликованы в журнале Advanced Materials.Гибридные перовскиты обещают быть более эффективными в преобразовании света в энергию, чем традиционные материалы для солнечных элементов.
Их также проще производить, поскольку они могут быть отлиты центрифугированием из раствора и не требуют для синтеза высоковакуумных камер.В отличие от своих кремниевых или германиевых аналогов, гибридные перовскиты состоят как из органических, так и из неорганических молекул. Структура построена из молекул неорганического свинца и брома, расположенных в октаэдрические единицы, которые образуют клетки вокруг органических катионов метиламмония (положительно заряженных ионов), состоящих из углерода, азота и водорода.«Преимущество наличия как органических, так и неорганических молекул в четко определенной кристаллической структуре означает, что мы можем адаптировать материал, настроив ту или иную группу для оптимизации свойств», — сказал Кай Сяо, исследователь из Центра науки о нанофазных материалах ORNL. . «Но даже несмотря на то, что исследователи изучали эти материалы в течение нескольких лет, мы все еще не полностью понимаем на фундаментальном уровне, как органические компоненты влияют на их свойства».
Поиск правильной комбинации и молекулярной ориентации органических / неорганических компонентов является ключом к раскрытию большей функциональности, но для понимания этих взаимодействий требуются правильные инструменты.«Нейтроны очень хороши в этом, потому что они чувствительны к более легким элементам, таким как водород», — сказал специалист по инструментам ORNL Сяопин Ван. «Поскольку мы можем отслеживать каждый нейтрон, мы получаем информацию о том, где находятся атомы, какова их температура и как они себя ведут».Используя прибор TOPAZ в источнике нейтронов расщепления ORNL, команда смогла наблюдать взаимодействия водородных связей на атомном уровне.
Эксперимент показал, что материал претерпевает значительные структурные изменения между примерно 150 и 130 градусами Кельвина (примерно от -190 до -225 градусов по Фаренгейту). Охлаждение материала замедляло движение органического компонента до упорядоченного состояния, при котором точные измерения in situ проводились в режиме реального времени, чтобы точно наблюдать, как органические молекулы связываются с компонентом свинец-бром посредством водородных связей.«Мы увидели, что упорядочение напрямую связано с водородными связями в структуре и тем, как любые изменения могут повлиять на запрещенную зону материала», — сказал Ван. «Это позволяет нам узнать, насколько хорошо поглощается солнечный свет и что это может означать с точки зрения приложений для фотоэлектрических материалов».Дополнительные измерения фотолюминесценции и рассеяния рентгеновских лучей, наряду с синтезом кристаллов, были проведены в CNMS.
Теоретические расчеты были выполнены учеными из отдела материаловедения и 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 дальше, чтобы изменить желаемые свойства, это новое фундаментальное понимание позволит нам разрабатывать новые материалы с еще большим потенциалом».