La dispersión de neutrones ha revelado, en tiempo real, los mecanismos fundamentales detrás de la conversión de la luz solar en energía en materiales híbridos de perovskita. Una mejor comprensión de este comportamiento permitirá a los fabricantes diseñar células solares con mayor eficiencia.
El equipo multiinstitucional de investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía, la Universidad de Hunan y la Universidad de Nebraska-Lincoln utilizó mediciones de fotoluminiscencia, junto con la dispersión de neutrones y rayos X, para estudiar la relación entre la estructura microscópica del materialy sus propiedades optoelectrónicas. Al examinar el material bajo diversos grados de temperatura, los investigadores pudieron rastrear los cambios estructurales atómicos y establecer cómo el enlace de hidrógeno juega un papel clave en el rendimiento del material. Sus resultados se publican en la revista Materiales avanzados .
Las perovskitas híbridas prometen ser más eficientes para convertir la luz en energía que los materiales de células solares tradicionales. También son más fáciles de fabricar ya que pueden ser moldeadas por centrifugación de la solución y no requieren cámaras de alto vacío para la síntesis.
A diferencia de sus homólogos singulares de silicio o germanio, las perovskitas híbridas están hechas de moléculas orgánicas e inorgánicas. La estructura está construida de moléculas inorgánicas de plomo y bromo dispuestas en unidades octaédricas que forman jaulas alrededor de los cationes orgánicos de metilamonio iones cargados positivamente que consisten encarbono, nitrógeno e hidrógeno.
"La ventaja de tener moléculas orgánicas e inorgánicas en una estructura cristalina bien definida significa que podemos adaptar el material ajustando uno u otro grupo para optimizar las propiedades", dijo Kai Xiao, investigador del Centro de Nanofase de ORNLCiencias de los materiales: "Pero aunque los investigadores han estado estudiando estos materiales durante varios años, todavía no entendemos completamente en un nivel fundamental cómo los componentes orgánicos están afectando las propiedades".
Encontrar la combinación correcta y la orientación molecular de los componentes orgánicos / inorgánicos es la clave para desbloquear más funcionalidad, pero comprender esas interacciones requiere las herramientas adecuadas.
"Los neutrones son muy buenos en esto porque son sensibles a elementos más ligeros como el hidrógeno", dijo el científico del instrumento ORNL Xiaoping Wang. "Como podemos rastrear cada neutrón, obtenemos información sobre cosas como dónde están los átomos,cuál es su temperatura y cómo se comportan "
Utilizando el instrumento TOPAZ en la fuente de neutrones de espalación de ORNL, el equipo pudo observar las interacciones de enlace de hidrógeno a escala atómica.
El experimento reveló que el material sufre cambios estructurales significativos entre aproximadamente 150 y 130 Kelvin aproximadamente -190 y -225 grados Fahrenheit. El enfriamiento del material desaceleró el movimiento del componente orgánico en un estado ordenado, en el que se realizaron mediciones precisas in situ.hecho en tiempo real para observar exactamente cómo las moléculas orgánicas se unían al componente plomo-bromo a través de enlaces de hidrógeno.
"Vimos que el pedido está directamente relacionado con el enlace de hidrógeno en la estructura y cómo cualquier cambio puede afectar la brecha de energía del material", dijo Wang. "Eso nos permite saber qué tan bien se absorbe la luz solar y qué podríasignifica en términos de aplicaciones para materiales fotovoltaicos "
Las mediciones complementarias de fotoluminiscencia y dispersión de rayos X, junto con la síntesis de cristales, se realizaron en el CNMS. Los científicos realizaron cálculos teóricos en la División de Ciencia y Tecnología de Materiales de ORNL.
"Las perovskitas híbridas ya son un buen material", dijo Xiao. "Ahora que sabemos cómo la orientación de las moléculas orgánicas impacta la estructura cristalina, y cómo podemos ajustarlas aún más para cambiar las propiedades deseadas, esta nueva comprensión fundamental hará quepermitirnos diseñar nuevos materiales con un potencial aún mayor "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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