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 中子散射技術(shù)實時揭示了雜化鈣鈦礦材料將太陽光轉(zhuǎn)化為能量的基本機(jī)理，而這種更深入的理論了解將使得生產(chǎn)商制造出轉(zhuǎn)化效率更高的太陽能電池。

據(jù)報道，來自美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL），內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校和中國湖南大學(xué)的多個研究機(jī)構(gòu)的研究人員使用光致發(fā)光測量，中子散射技術(shù)和X射線散射來研究材料的微觀結(jié)構(gòu)與其光電性能之間的關(guān)系。通過研究不同溫度下的材料，研究人員能夠追蹤原子結(jié)構(gòu)的變化，并確定氫鍵在材料性能中的關(guān)鍵作用。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上。

雜化鈣鈦礦相較傳統(tǒng)太陽能電池材料，光能轉(zhuǎn)化潛力更高。它們可以從溶液中紡絲合成而不需要在高真空室內(nèi)進(jìn)行合成，因此也更容易生產(chǎn)。

有別于傳統(tǒng)太陽能電池的單一硅或鍺對應(yīng)物，雜化鈣鈦礦由有機(jī)和無機(jī)分子組成。它們的結(jié)構(gòu)包括以八面體單元排列的無機(jī)鉛和溴分子，這些無機(jī)鉛和溴分子圍繞由碳、氮和氫組成的有機(jī)甲基銨陽離子（帶正電的離子）形成籠狀結(jié)構(gòu)。

ORNL納米材料科學(xué)中心研究員Kai Xiao說：“有機(jī)和無機(jī)分子都具有明確定義的晶體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢意味著我們可以通過調(diào)整其中一組或另一組來優(yōu)化材料的特性。不過，盡管研究人員一直在研究這些材料已有好幾年，但仍然沒有從根本上了解有機(jī)組分如何影響材料的性能。”

找到有機(jī)、無機(jī)組分的正確組合和分子取向是解鎖鈣鈦礦材料更多應(yīng)用的關(guān)鍵，不過想要了解這些相互作用需要合適的工具。

ORNL儀器科學(xué)家Xiaoping Wang講道：“中子就很適合用于這方面的檢測，因為它們對氫等較輕質(zhì)元素很敏感，因此我們能夠跟蹤每個中子，獲得有關(guān)原子位置、溫度和運(yùn)動狀態(tài)等信息。”

該團(tuán)隊通過ORNL散裂中子源的TOPAZ儀器能夠觀察到原子尺度上的氫鍵相互作用，實驗揭示了雜化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)在大約130K和150K之間（大約-190°F和-225°F）經(jīng)歷顯著的變化。冷卻材料減緩了有機(jī)成分向有序狀態(tài)的移動，使研究人員能夠?qū)崟r精確地對該成分進(jìn)行實時測量，從而準(zhǔn)確觀察有機(jī)分子如何通過氫鍵與鉛-溴組分結(jié)合。

Wang表示：“實驗中我們發(fā)現(xiàn)排序與結(jié)構(gòu)中的氫鍵直接相關(guān)，以及任何變化如何影響材料的能隙。這讓我們知道材料對太陽能吸收的程度如何，以及這對光伏材料的應(yīng)用意味著什么。”

ORNL材料科學(xué)與技術(shù)部的科學(xué)家進(jìn)行了理論計算，并在CNMS上進(jìn)行互補(bǔ)光致發(fā)光和X射線散射測量以及晶體合成。

Xiao表示：“雜化鈣鈦礦已經(jīng)是一種很好的光電材料，現(xiàn)在我們知道有機(jī)分子的取向如何影響晶體結(jié)構(gòu)，以及我們要如何進(jìn)一步調(diào)整以改變所需的性質(zhì)。這一新層次的理解將有助于我們設(shè)計出具有更大潛力的新材料。