极化子的第一瞥-短暂的扭曲-形成有希望的下一代能源材料

插图显示了极有希望的下一代能量材料铅杂钙钛矿中的极化子（材料原子晶格中的短暂扭曲）。

这些短暂的破坏现象首次出现在铅杂钙钛矿中，这可能有助于解释为什么这些材料特别擅长将太阳光转化为太阳能电池中的电流。

极化子在材料的原子晶格中短暂地扭曲，这些畸变在移动的电子周围以几万亿分之一秒的速度形成，然后迅速消失。尽管它们只是暂时的，但它们会影响材料的性能，甚至可能是由铅钙钛矿制成的太阳能电池在实验室中获得极高效率的原因。

现在，能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的科学家首次使用该实验室的X射线激光观察并直接测量了极化子的形成。他们于2021年1月4日在《自然材料》中报告了他们的发现。

斯坦福大学材料与能源科学研究所（SIMES）的研究人员亚伦·林登伯格（Aaron Lindenberg）表示：“由于这些材料的高效率和低成本，它们在太阳能研究领域引起了轩然大波，但人们仍在争论它们为什么起作用。” SLAC的斯坦福大学和斯坦福大学的副教授领导了这项研究。

他说：“极化子可能参与其中的想法已经存在了很多年。”“但是我们的实验是第一个直接观察这些局部畸变的形成的过程，包括它们的大小，形状以及它们如何演化。”

插图显示了极有希望的下一代能量材料铅杂钙钛矿中的极化子（材料原子晶格中的短暂扭曲）。SLAC和斯坦福大学的科学家首次观察到这些畸变的“气泡”是如何在电荷载子周围形成的，这些载流子是由光脉冲释放的电子和空穴，在此处显示为亮点。这个过程可能有助于解释为什么电子在这些材料中如此高效地传播，从而导致高太阳能电池性能。

钙钛矿是以矿物钙钛矿命名的晶体材料，具有相似的原子结构。大约十年前，科学家开始将它们整合到太阳能电池中，尽管它们的钙钛矿成分具有许多应抑制电流流动的缺陷，但将太阳能转化为能量的效率一直在稳步提高。

Lindenberg说，这些材料非常复杂且难以理解。尽管科学家们发现它们令人兴奋，因为它们既高效又易于制造，从而使它们可以使太阳能电池比当今的硅电池便宜，但它们也极不稳定，在暴露于空气中会分解并含有必须保留的铅脱离环境。

SLAC先前的研究已经使用“电子照相机”或X射线束研究了钙钛矿的性质。除其他外，他们揭示了光在钙钛矿中旋转着原子，并且他们还测量了通过材料传递热­量的声子（声波）的寿命。

在这项研究中，林登伯格的团队使用了实验室的直线加速器相干光源（LCLS），它是一种功能强大的X射线自由电子激光器，可以以接近原子的细节成像材料，并捕获在十亿分之一秒的百万分之一中发生的原子运动。他们研究了斯坦福大学Hemamala Karunadasa副教授合成的材料的单晶。

他们用来自光学激光器的光击中一小块材料，然后使用X射线激光观察该材料在数十万亿分之一秒内的响应方式。

如该动画所示，极化失真开始很小，并在各个方向上迅速向外扩展到直径约50亿分之一米，这大约增加了50倍。在数十皮秒或万亿分之一秒的过程中，这会在大约球形区域内将大约10层原子稍微向外推。这些变形是在SLAC国家加速器实验室使用X射线自由电子激光在杂化钙钛矿中进行的首次测量。

美国能源部阿贡国家实验室的科学家Burak Guzelturk表示：“当您通过用光撞击材料来给电荷充电时，就像太阳能电池中发生的事情一样，电子被释放，这些自由电子开始在材料周围移动。”他在实验时是斯坦福大学的博士后研究员。

他说：“很快，它们就被与它们一起传播的某种局部畸变气泡（极化子）包围并吞没了。”“有人争论说，这种“气泡”可以保护电子免于散射掉材料中的缺陷，并有助于解释为什么它们如此高效地传播到太阳能电池的触点并以电的形式流出。

钙钛矿混合晶格结构灵活­而柔软（如Lindenberg所说，“固体和液体同时奇怪地结合在一起”），这使极化子得以形成和生长。

他们的观察表明，极化现象的畸­变开始很小（大约几埃的大小，大约是固体中原子之间的间距），并迅速向各个方向向外扩展，达到约50亿分之一米的直径，即大约50倍。倍增加。在数十皮秒或万亿分之一秒的过程中，这会在大约球形区域内将大约10层原子稍微向外推。

Lindenberg说：“这种失真实际上相当大，这是我们以前所不知道的。”“这完全是出乎意料的。”

他补充说：“虽然该实验尽可能直接地表明这些物体确实存在，但并未显示它们如何对太阳能电池的效率做出贡献。要了解这些过程如何影响这些材料的性能，还需要做更多的工作。”

参考：Burak Guzelturk，Thomas Winkler，Tim WJ Van de Goor，Matthew D. Smith，Sean A. Bourelle，Sascha Feldmann，Mariano Trigo，Samuel W. Teitelbaum，Hans-Georg撰写的“混合卤化钙钛矿中动态极化子应变场的可视化” Steinrück，Gilberto A.de Pena，Roberto Alonso-Mori，Diling Zhu，Takahiro Sato，Hemamala I.Karunadasa，Michael F.Toney，Felix Deschler和Aaron M.Lindenberg，2021年1月4日，自然材料.DOI：
10.1038 / s41563-020-00865-5

LCLS是美国能源部科学办公室的用户设施。Lindenberg还是斯坦福大学PULSE研究所的研究员，像SIMES一样是SLAC和斯坦福大学的联合研究所。英国剑桥大学的科学家；丹麦奥尔胡斯大学；德国的帕德博恩大学和慕尼黑工业大学也为这项研究做出了贡献。大量资金来自美国能源部科学办公室。