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新研究揭示氢键在钙钛矿太阳能电池中的关键作用

文章来源：未知更新时间：2018-05-04 10:29:39

中子散射技术实时揭示了杂化钙钛矿材料将太阳光转化为能量的基本机理，而这种更深入的理论了解将使得生产商制造出转化效率更高的太阳能电池。

据报道，来自美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL），内布拉斯加大学林肯分校和中国湖南大学的多个研究机构的研究人员使用光致发光测量，中子散射技术和X射线散射来研究材料的微观结构与其光电性能之间的关系。通过研究不同温度下的材料，研究人员能够追踪原子结构的变化，并确定氢键在材料性能中的关键作用。他们的研究结果发表在《先进材料》杂志上。

杂化钙钛矿相较传统太阳能电池材料，光能转化潜力更高。它们可以从溶液中纺丝合成而不需要在高真空室内进行合成，因此也更容易生产。

有别于传统太阳能电池的单一硅或锗对应物，杂化钙钛矿由有机和无机分子组成。它们的结构包括以八面体单元排列的无机铅和溴分子，这些无机铅和溴分子围绕由碳、氮和氢组成的有机甲基铵阳离子（带正电的离子）形成笼状结构。

ORNL纳米材料科学中心研究员Kai Xiao说：“有机和无机分子都具有明确定义的晶体结构，这种结构优势意味着我们可以通过调整其中一组或另一组来优化材料的特性。不过，尽管研究人员一直在研究这些材料已有好几年，但仍然没有从根本上了解有机组分如何影响材料的性能。”

找到有机、无机组分的正确组合和分子取向是解锁钙钛矿材料更多应用的关键，不过想要了解这些相互作用需要合适的工具。

ORNL仪器科学家Xiaoping Wang讲道：“中子就很适合用于这方面的检测，因为它们对氢等较轻质元素很敏感，因此我们能够跟踪每个中子，获得有关原子位置、温度和运动状态等信息。”

该团队通过ORNL散裂中子源的TOPAZ仪器能够观察到原子尺度上的氢键相互作用，实验揭示了杂化钙钛矿结构在大约130K和150K之间（大约-190°F和-225°F）经历显著的变化。冷却材料减缓了有机成分向有序状态的移动，使研究人员能够实时精确地对该成分进行实时测量，从而准确观察有机分子如何通过氢键与铅-溴组分结合。

Wang表示：“实验中我们发现排序与结构中的氢键直接相关，以及任何变化如何影响材料的能隙。这让我们知道材料对太阳能吸收的程度如何，以及这对光伏材料的应用意味着什么。”

ORNL材料科学与技术部的科学家进行了理论计算，并在CNMS上进行互补光致发光和X射线散射测量以及晶体合成。

Xiao表示：“杂化钙钛矿已经是一种很好的光电材料，现在我们知道有机分子的取向如何影响晶体结构，以及我们要如何进一步调整以改变所需的性质。这一新层次的理解将有助于我们设计出具有更大潜力的新材料。

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