Ученые впервые изучали особые квазичастицы в кристаллах перовскитов
С помощью особых квазичастиц исследователи попытались ответить на один важнейший вопрос: что, собственно, делает перовскиты такими эффективными материалами, когда речь заходит о превращении солнечного света в электричество?
Поляроны были измерены в свинцовых гибридных перовскитах, материалах для солнечных элементов нового поколения, коэффициент конверсии которых намного выше привычных нам кремниевых панелей. Ученые надеются, что наблюдения поляронов в какой-то мере расскажут нам, как именно перовскиты так хорошо превращают солнечный свет в электричество.
Чтобы найти поляроны, ученые «тренировали» свет на монокристаллах свинцовых гибридных перовскитов, наблюдая процесс с помощью гигантского рентгеновского лазера на свободных электронах (LCLS), способного отображать материалы в самых маленьких масштабах в кратчайшие сроки — до триллионных долей секунды (или пикосекунд).
«Когда вы помещаете заряд в материал, попадая на него лучом света, как это происходит в солнечном элементе, электроны высвобождаются и начинают перемещаться вокруг материала», — поясняет физик Бурак Гузельтурк из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США. «Вскоре они становятся окружены своего рода пузырем локальных искажений — поляроном — который движется вместе с ними. Некоторые исследователи утверждали, что этот пузырь защищает электроны от рассеяния дефектами в материале. Это помогает объяснить, почему они перемещаются так эффективно к контакту солнечного элемента и выходят в виде электричества», — рассказал он.
Какими бы многообещающими ни были перовскиты в качестве материала для солнечных панелей, никто пока что до конца не понимает, почему они так эффективны. Структура этих материалов имеет множество дефектов, которые должны ограничивать скорость прохождения тока через них, а сами перовскиты хрупкие и нестабильные. Поляроны могут подсказать ответ на этот и ряд других вопросов.
По сути, поляроны представляют собой кратковременные движущиеся искажения структуры атомной решетки материала. Ученые продемонстрировали, что они смещают примерно 10 слоев атомов в наружный слой. Искажение увеличило расстояние между окружающими атомами примерно в 50 раз — до 5 миллиардных долей метра — за десятки пикосекунд.
Мельчайшие искажения или пузырьки были больше, чем ожидали ученые, а их активное движение позволяла сама гибкая и мягкая структура атомной решетки гибридного перовскита. Материал в некотором смысле ведет себя одновременно как твердое тело и жидкость.
По прошествии лет ученые продолжают преодолевать препятствия, из-за которых эффективность солнечных панелей остается ниже, чем должна быть, и с ростом нашей зависимости от солнечных ферм улучшения КПД даже всего на несколько процентов могут иметь большое значение.
Однако исследователи, стоящие за открытием полярона, стремятся подчеркнуть, что они еще не ответили на все вопросы, связанные с этими квазичастицами, и еще многое предстоит узнать об их влиянии на перовскиты и другие материалы. Не исключено, что именно благодаря им мы сможем наконец перейти на альтернативные источники энергии и перестать отравлять планету.