Однако, когда эти частицы оказываются захваченными солнечным материалом, прежде чем они смогут полностью разделиться, это может уменьшить способность материала преобразовывать свет в электричество.Ученые Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) опубликовали новое исследование, в котором определяется процесс захвата дырок в наночастицах из оксида цинка, материала, представляющего потенциальный интерес для солнечных приложений, поскольку он поглощает ультрафиолетовый свет.
Используя рентгеновские лучи, произведенные аргоннским усовершенствованным источником фотонов (APS), исследователи смогли увидеть захват дырок в определенных областях наночастицы. Это представляет собой заметный прогресс, поскольку в предыдущих экспериментах можно было обнаружить миграцию и захват электронов, но не дырок.
По словам Стивена Саутворта, автора исследования, некоторые рассматривали оксид цинка как возможную альтернативу диоксиду титана, наиболее часто используемому фотоэлектрическому материалу. По его словам, понимание поведения захвата дыр необходимо для оценки жизнеспособности материала для использования в солнечной энергии.Хотя улавливание дырок ухудшает характеристики фотоэлектрических устройств, оно может улучшить способность оксида цинка действовать как фотокатализатор, поскольку положительные заряды, хранящиеся в ловушках внутри материала, могут продолжать действовать как участники химических реакций.«Если вы делаете солнечный элемент, вы хотите избежать захвата дыр; но если вы делаете фотокатализатор, вы хотите улавливать их», — сказал руководитель проекта Кристофер Милн, рентгенолог из Института Пауля Шеррера в Швейцарии. . «Тем не менее, понимание того, как эти атомы попадают в ловушку — и на какой срок — критически важно для создания функциональных материалов, преобразующих свет в полезную энергию».
Исследователи определили, что дырки оказались захваченными «кислородными вакансиями» — местами внутри кристаллической решетки, где отсутствует атом кислорода. Оксид цинка, по словам Милна, имеет кристаллическую структуру, которая позволяет иметь много таких вакансий. Захват происходит потому, что вакансии имеют более низкий уровень энергии, чем окружающая среда, создавая энергетическую трещину для прохождения дыр.
Для проведения измерений исследователи объединили два различных рентгеновских метода: спектроскопию рентгеновского поглощения и резонансную рентгеновскую эмиссионную спектроскопию. «Сочетание этих методов уникально возможно с установкой, которая есть у нас в APS, что дает нам представление, которое показывает нам как атомную геометрию, так и электронную структуру материала», — сказал аргоннский физик-рентгенолог Жиль Думи, автор исследования. , который использовал канал 7ID-D на APS.«APS был одним из немногих мест в мире, где мы могли провести этот эксперимент.
Это было очень плодотворное сотрудничество», — сказал Милн. APS — это учреждение для пользователей Управления науки Министерства энергетики США.
Исследователи указали, что будущие исследования системы могут выиграть от возможности делать очень быстрые снимки поведения отлова. Такой эксперимент может быть проведен на рентгеновских лазерных установках на свободных электронах, таких как источник когерентного света линейного ускорителя SLAC, а также пользовательский объект Управления науки Министерства энергетики США.«По сути, мы хотим увидеть тот же процесс, но иметь возможность делать снимки в тысячу раз быстрее», — сказал Саутворт.«Функциональность материала всегда будет зависеть от того, как поведение на ранних этапах процесса влияет на поведение в более поздние и более длительные периоды», — добавил Доуми. «Нам нужны обе картинки для всестороннего понимания».
Статья, основанная на исследовании «Выявление захвата дырок в наночастицах оксида цинка с помощью рентгеновской спектроскопии с временным разрешением», появилась в онлайн-выпуске журнала Nature Communications от 2 февраля. Аргоннский физик Энн Мари Марч также стала соавтором статьи.
Работа частично спонсировалась Управлением науки Министерства энергетики США.