物质新状态揭示钙钛矿太阳能电池秘密

据外媒报道,钙钛矿太阳能电池正在快速发展并吸引了科学家的兴趣,他们不仅致力于提高性能而且想要更好地了解它们是如何提供如此难以置信的、不断提高的效率。科学家们通过将他们的工具转向钙钛矿晶体发现了代表一种全新物质状态的意想不到的行为。

他们表示,这有助于推动先进太阳能电池和其他光学和电子设备的发展。

钙钛矿太阳能电池能在科学圈引起如此大的兴趣的原因之一是,尽管钙钛矿太阳能电池的晶体结构存在缺陷,但它却能提供相当优异的性能。虽然很多研究都在通过化学处理、分子胶甚至是少量辣椒化合物来修复这些缺陷以此来提高它们的效率,但事实仍是,这种材料是一种比它应有的效率高得多的半导体。

麦吉尔大学化学系副教授、资深作者Patanjali Kambhampati表示:“历史上,人们一直使用大块半导体作为完美的晶体。现在,突然之间,这种不完美的软晶体开始在半导体应用中工作,从光伏到LED。这是我们研究的起点:有缺陷的东西怎么可能以完美的方式工作?”

这项工作实际上是对之前研究的延续,之前的研究表明,钙钛矿可能看起来像固体物质,但它们实际上具有一些液体的特征。这种二象性很大程度上归因于原子晶格结构,当它遇到自由电子时就会变形,这种现象被称为极化子形成现象。这就好比往蹦床中心扔一块大石头,蹦床会伸展和改变形状。

物质新状态揭示钙钛矿太阳能电池秘密

当石头停止弹跳并静置在其中心时,蹦床会逐渐消散这种能量,而钙钛矿晶体的变形原子晶格结构则相反。该团队使用泵浦/探针光谱的形式研究了钙钛矿晶体的电子动力学、观察了这一过程并最终惊讶地发现变形后能量总体出现增加。

科学家们指出,这是钙钛矿晶体表现得像量子点的结果,这种晶体本身已经显示出改善太阳能电池技术的前景。这些微小的平面半导体晶体非常小,以至于它们以一种独特的方式限制了电子的运动从而赋予了它们独特的特性。

这种现象被叫做量子限制,以前只在几纳米大小的粒子中观察到过。根据科学家们的说法,在钙钛矿晶体中发现了比这大得多的钙钛矿晶体,这意味着发现了一种新的物质状态。

“极化子所做的是把一切都限制在一个空间明确的区域内,”Kambhampati说道,“我们小组能证明的一件事是极化子跟激子混合形成了看起来像量子点的东西。在某种意义上,它就像一个液体量子点,我们称之为量子滴。我们希望对这些量子液滴行为的探索将有助于更好地理解如何设计出容错光电材料。”

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