Скручивающиеся гибкие кристаллы – ключ к усовершенствованным новым солнечным элементам

Исследователи из Университета Дьюка открыли давно скрытую молекулярную динамику, которая обеспечивает желаемые свойства для использования солнечной энергии и тепловой энергии в захватывающем классе материалов, называемом галогениды перовскита.

Ключевой вклад в то, как эти материалы создают и транспортируют электричество, буквально петляя по пути изгибания и поворота их атомной решетки. Полученные результаты помогут специалистам по материаловедению в их стремлении адаптировать химические формулы этих материалов для широкого спектра применений экологически безопасным способом.

«Существует широкий интерес к галогенидным перовскитам для применения в энергетике, например, в фотогальванике, термоэлектрике, оптоэлектронике – все эти области невероятно актуальны», – говорит Оливье Делер, доцент кафедры машиностроения и материаловедения в Дюке. «Хотя мы понимаем, что мягкость этих материалов важна для их электронных свойств, никто на самом деле не знал, что именно атомные движения, которые мы обнаружили, лежат в основе этих свойств».

Перовскиты – это класс материалов, которые – при правильном сочетании элементов – вырастают в кристаллическую структуру, что делает их особенно подходящими для применения в энергетике. Способность перовскитов поглощать свет и эффективно передавать энергию делает их основной мишенью, например, для исследователей, разрабатывающих новые типы солнечных батарей. Кроме того, они мягкие, как будто твердое золото может быть легко изогнуто, что дает им способность выдерживать дефекты и избегать растрескивания, когда они превращены в тонкий пленочный материал.

Один размер, однако, не подходит всем, так как существует широкий спектр потенциальных формул, которые могут образовывать перовскит. Многие из самых простых и изученных формул включают галоген – такой как хлор, фтор или бром – давая им название галогенидных перовскитов. В кристаллической структуре перовскитов эти галогениды являются соединениями, которые связывают вместе узлы октаэдрического кристалла. 

Хотя исследователи знают, что эти стержневые точки необходимы для создания свойств перовскита, никто не смог разглядеть, как они позволяют окружающим их конструкциям динамически крутиться, поворачиваться и изгибаться, не ломаясь, как энергично содрогающаяся желеобразная форма.

«Эти структурные движения, как известно, экспериментально трудно зафиксировать. Метод выбора – нейтронное рассеяние, которое сопровождается огромными усилиями по анализу инструментов и данных, и очень немногие группы владеют техникой, которой владеют Оливье и его коллеги», – сказал Фолькер Блюм, профессор машиностроения и материаловедения в Duke, который занимается теоретическим моделированием перовскитов, но не был вовлечен в это исследование. «Это означает, что они в состоянии раскрыть основы свойств материалов в основных перовскитах, которые в противном случае недоступны».

В исследовании Делер и его коллеги из Аргонской национальной лаборатории, Окриджской национальной лаборатории, Национального института науки и технологий и Северо-Западного университета впервые раскрыли важную молекулярную динамику структурно простого, обычно исследуемого галогенидного перовскита (CsPbBr3).

Исследователи начали с крупного монокристалла галогенидного перовскита сантиметрового масштаба, который, как известно, трудно вырастить до таких размеров – главная причина, по которой такого рода динамические исследования до сих пор не проводились. Затем они заградили кристалл нейтронами в Окриджской национальной лаборатории и рентгеновскими лучами в Аргонской национальной лаборатории. Измеряя, как нейтроны и рентгеновские лучи отскакивали от кристаллов под разными углами и с разными временными интервалами, исследователи дразнили, как его составляющие атомы двигались во времени.

Подтвердив свою интерпретацию измерений компьютерным моделированием, исследователи обнаружили, насколько активна на самом деле кристаллическая сеть. Восьмисторонние октаэдрические мотивы, прикрепленные друг к другу через атомы брома, были пойманы коллективно в пластинчатоподобных доменах и постоянно изгибались туда-сюда очень плавно.

«Благодаря тому, что атомы расположены в форме восьмигранных структур, разделяющих атомы брома в виде стыков, они могут свободно поворачиваться и изгибаться», – говорит Делер. Но мы обнаружили, что эти галогенидные перовскиты, в частности, гораздо более «гибкие», чем некоторые другие рецепты. Вместо того, чтобы немедленно возвращаться в форму, они возвращаются очень медленно, почти как желе или жидкость, в отличие от обычного твердого кристалла».

Делер объяснил, что этот свободный молекулярный танец важен для понимания многих желательных свойств галогенидных перовскитов. Их «вялость» останавливает электроны от рекомбинации в отверстия, из которых входящие фотоны выбивают их, что помогает им получать большое количество электричества из солнечного света. И это, вероятно, также затрудняет движение тепловой энергии по кристаллической структуре, что позволяет им создавать электричество из тепла, имея одну сторону материала намного более горячей, чем другая.

Поскольку используемый в исследовании перовскит – CsPbBr3 – имеет одну из самых простых формул, но уже содержит структурные особенности, общие для широкого семейства этих соединений, Делер считает, что эти открытия, скорее всего, применимы к большому количеству галогенидных перовскитов. Например, он приводит гибридные органически неорганические перовскиты (HOIPs), которые имеют гораздо более сложные формулы, а также бессвинцовые варианты двойного перовскита, которые являются более экологически чистыми.

«Это исследование показывает, почему этот каркас перовскита особенный даже в самых простых случаях», – говорит Делер. «Эти выводы, скорее всего, распространяются на гораздо более сложные формулы, которые в настоящее время исследуют многие ученые во всем мире. По мере того, как они просматривают огромные вычислительные базы данных, обнаруженная нами динамика может помочь решить, к какому перовскиту стремиться».

https://econet.ru/articles/skruchivayuschiesya-gibkie-kristally-klyuch-k-usovershenstvovannym-novym-solnechnym-elementam