美国研讨称歪曲的柔性晶体是先进的新式太阳能电池的要害
该效果于3月15日在线宣布在《天然资料》杂志上。
“人们对卤化物钙钛矿在光伏、热电、光电辐射检测和发射等动力范畴的运用有着广泛的爱好--整个范畴十分活泼，”杜克大学机械工程和资料科学副教授Olivier Delaire说。“尽管咱们了解这些资料的柔软度对其电子特性很重要，但没有人真实知道咱们所发现的原子运动是怎么支撑这些特征的。”
钙钛矿是一类资料--经过正确的元素组合--生长成一种晶体结构，使其特别合适动力运用。它们吸收光并有用搬运其能量的才能使它们成为研讨人员开发新式太阳能电池等的一同方针。它们也很柔软，有点像纯金很简略洼陷，这使它们在制成薄膜时有才能忍受缺点并防止开裂。
但是，一种尺度并不合适一切的状况，因为有广泛的潜在配方能够构成钙钛矿。许多最简略和研讨最多的配方包含一个卤素--如氯、氟或溴--使它们被称为卤化物钙钛矿。在过氧化物的晶体结构中，这些卤化物是将相邻的八面体晶体基团拴在一同的连接点。尽管研讨人员现已知道这些支点对发明过氧化物的特性至关重要，但没有人能够研讨它们让周围的结构动态地歪曲、转弯和曲折而不决裂的方法。
“这些结构运动在试验上难以确定，这是众所周知的。挑选的技能是中子散射，这需求支付巨大的仪器和数据分析尽力，很少有小组能像Olivier和他的搭档那样把握这种技能，”杜克大学机械工程和资料科学教授Volker Blum说，他也进行钙钛矿的理论建模，但没有参加这项研讨。“这意味着，他们有才能提醒根本钙钛矿中的资料特性的根底，不然就无法完成。”
在这项研讨中，来自阿贡国家试验室、橡树岭国家试验室、美国国家科学技能研讨所和西北大学的Delaire及其搭档，初次提醒了结构简略、常被研讨的卤化物钙钛矿(CsPbBr3)的重要分子动力学。
研讨人员从一个大型的、厘米级的卤化物钙钛矿单晶开端，众所周知，卤化物钙钛矿很难生长到这样的尺度--这也是之前一向没有完成这种动态研讨的主要原因。然后，他们在橡树岭国家试验室用中子和阿贡国家试验室用X射线对该晶体进行了炮击。经过丈量中子和X射线在许多视点和不同的时刻距离内怎么从晶体上反弹，研讨人员弄清了它的组成原子怎么随时刻移动。
在用核算机模仿确认了他们对丈量成果的解说后，研讨人员发现了晶体网络到底有多活泼。经过溴原子相互连接的八面八面体基团被捕捉到在板状域中团体歪曲，并以十分流通的方法不断来回曲折。
“因为原子的摆放方法是以八面体基团同享溴原子作为连接点，它们能够自在地进行这些旋转和曲折，”Delaire说。“但咱们发现，这些卤化物过氧化物特别是比其他一些配方更'脆弱'。它们不是当即弹回形状，而是十分缓慢地回来，简直更像果冻或液体，而不是传统的固体晶体。”
Delaire解说说，这种自在的“分子舞蹈”关于了解卤化物过氧化物的许多抱负特性十分重要。它们的“软性”阻挠电子重新组合到传入的光子将它们击出的孔中，这有助于它们从太阳光中制作很多的电力。并且它很或许还使热能难以穿过晶体结构，这使得它们能够经过让资料的一面比另一面热得多来从热能中发生电力。
因为研讨中运用的钙钛矿--CsPbBr3--具有最简略的配方之一，但现已包含了这些化合物广泛宗族所共有的结构特征，因而Delaire以为，这些发现很或许适用于大范围的卤化物钙钛矿。例如，他列举了混合有机-无机卤化物钙钛矿，它们的配方要杂乱得多，以及更环保的无铅双钙钛矿变体。
“这项研讨标明，为什么这种钙钛矿结构即便在最简略的状况下也很特别，”Delaire说。“这些发现很有或许扩展到更杂乱的配方，现在全世界的许多科学家都在研讨这些配方。当他们挑选巨大的核算数据库时，咱们所发现的动态能够协助决议寻求哪些钙钛矿。”
