Savannah Mitchem, Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne

Hình minh họa cấu trúc tinh thể của perovskite. Các phân tử quay xung quanh bản lề của chúng theo hai chiều, điều này có thể giải thích khả năng quang điện của vật liệu. Nhà cung cấp hình ảnh: Jill Hemman, Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge.

Mặt trời cung cấp nhiều năng lượng hơn cho Trái đất trong một giờ so với lượng năng lượng mà con người tiêu thụ trong cả năm. Các nhà khoa học trên toàn thế giới đang tìm kiếm những vật liệu có thể thu năng lượng không carbon và chuyển hóa thành điện năng một cách tiết kiệm và hiệu quả.

Perovskites, một loại vật liệu có cấu trúc tinh thể độc đáo, có thể vượt qua công nghệ thu năng lượng mặt trời hiện nay . Chúng rẻ hơn các vật liệu được sử dụng trong pin mặt trời hiện nay và chúng đã chứng minh được các đặc tính quang điện đáng chú ý - hành vi cho phép chúng chuyển đổi rất hiệu quả ánh sáng mặt trời thành điện năng.

Tiết lộ bản chất của perovskites ở quy mô nguyên tử là rất quan trọng để hiểu được khả năng đầy hứa hẹn của chúng. Thông tin chi tiết này có thể giúp cung cấp thông tin cho các mô hình để xác định cấu tạo tối ưu của vật liệu perovskite cho pin mặt trời, có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho xe cộ, thiết bị điện tử và thậm chí cả hệ thống sưởi nhà và các thiết bị khác.

Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã tham gia vào sự hợp tác do Đại học Duke dẫn đầu, cùng với Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge của DOE và các cộng tác viên khác, để nghiên cứu hoạt động bên trong của vật liệu perovskite sử dụng tia X đẳng cấp thế giới khả năng tán xạ tại Argonne và khả năng tán xạ neutron tại Oak Ridge. Khả năng tán xạ cho phép các nhà khoa học quan sát hành vi của vật liệu ở quy mô nguyên tử và nghiên cứu tiết lộ rằng chuyển động giống như chất lỏng trong perovskites có thể giải thích cách chúng tạo ra dòng điện một cách hiệu quả.

Olivier Delaire, trưởng nhóm nghiên cứu của Đại học Duke, cho biết: “Có rất nhiều sự phấn khích xung quanh những vật liệu này, nhưng chúng tôi không hiểu hết tại sao chúng lại có khả năng quang điện tốt như vậy.”

Tinh thể perovskite CsPbBr ₃ được sử dụng trong các thí nghiệm. Các nhà nghiên cứu tại bộ phận Khoa học Vật liệu của Argonne và Đại học Northwestern đã phát triển các tinh thể lớn cỡ centimet cần thiết cho các phép đo neutron. Nhà cung cấp hình ảnh: Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne.

Khi ánh sáng chiếu vào vật liệu quang điện, nó kích thích các electron, khiến chúng bật ra khỏi nguyên tử và đi xuyên qua vật liệu, dẫn điện. Một vấn đề phổ biến là các electron bị kích thích có thể tái kết hợp với các nguyên tử thay vì di chuyển qua vật liệu, điều này có thể làm giảm đáng kể điện năng tạo ra so với lượng ánh sáng mặt trời chiếu vào vật liệu.

Ray Osborn của Argonne cho biết: “Perovskites làm tốt việc ngăn chặn sự tái tổ hợp. Chúng tôi muốn biết cơ chế nào gây ra điều này và liệu chúng tôi có thể học hỏi từ điều này để tạo ra các tế bào năng lượng mặt trời tốt hơn hay không."

Nhóm đã nghiên cứu một trong những perovskite đơn giản nhất — một hợp chất của xêzi, chì và brom (CsPbBr ₃ ) —để tìm ra những gì đang xảy ra ở quy mô nguyên tử.

Sử dụng khả năng tán xạ tia X tại đường chùm của nhóm Vật liệu Từ tính của Argonne (6-ID-D) tại Nguồn Photon Nâng cao của phòng thí nghiệm, Cơ sở Người dùng Khoa học của DOE, nhóm nghiên cứu đã chụp được vị trí trung bình của các nguyên tử trong tinh thể perovskite ở các nhiệt độ khác nhau . Họ phát hiện ra rằng mỗi nguyên tử chì và lồng các nguyên tử brom xung quanh nó tạo thành các đơn vị cứng rắn hoạt động giống như các phân tử. Các đơn vị này dao động — hoặc lắc lư qua lại — theo cách giống như chất lỏng.

Delaire cho biết: “Các phân tử trong vật liệu này xoay quanh các phân tử khác giống như chúng được gắn với nhau, và xung quanh các bản lề, các phân tử hoạt động như một cái mềm”.

Một lý thuyết để giải thích cách perovskites chống lại sự tái hợp là những biến dạng này trong mạng tinh thể, hay cấu trúc tinh thể, kéo theo các electron tự do khi chúng đi qua vật liệu. Các điện tử có thể làm biến dạng mạng tinh thể, gây ra các nhiễu loạn giống như chất lỏng, sau đó ngăn cản chúng rơi trở lại nguyên tử chủ. Lý thuyết này, được củng cố bởi các kết quả thí nghiệm mới, có thể cung cấp những hiểu biết mới về cách thiết kế vật liệu perovskite tối ưu cho pin mặt trời.

Dữ liệu từ sự tán xạ khuếch tán được đo bằng tia X tại Nguồn Photon nâng cao của Argonne (nửa trên) và neutron tại Nguồn neutron Spallation ở Oak Ridge. Dao động hai chiều tăng lên khi nhiệt độ tăng từ 60 ° C (trái) lên 160 ° C (phải). Nhà cung cấp hình ảnh: Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne.

Dữ liệu cũng chỉ ra rằng các phân tử trong vật liệu dao động trong các mặt phẳng hai chiều, không chuyển động qua các mặt phẳng — tương tự như một chuyến đi trong lễ hội chỉ xoay từ trái sang phải, nhưng không bao giờ quay từ trước ra sau. Bản chất hai chiều của sự biến dạng tinh thể có thể là một mảnh ghép nữa để giải thích cách perovskite có thể ngăn chặn sự tái tổ hợp điện tử, góp phần vào hiệu quả của vật liệu.

Theo Osborn, các mẫu hai chiều trong dữ liệu tán xạ tia X chưa bao giờ được nhìn thấy. Ông nói: “Dựa trên những phép đo bất ngờ này, chúng tôi muốn tìm hiểu sâu hơn nữa bằng cách không chỉ xem xét các vị trí trung bình của nguyên tử mà còn cả cách các nguyên tử chuyển động xung quanh trong thời gian thực.”

Để điều tra trực tiếp chuyển động của các nguyên tử, nhóm nghiên cứu đã sử dụng khả năng tán xạ neutron tại Nguồn neutron Spallation, một cơ sở sử dụng của Văn phòng Khoa học DOE tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge. Các nhà nghiên cứu tại bộ phận Khoa học Vật liệu của Argonne và Đại học Northwestern đã phát triển các tinh thể lớn cỡ centimet cần thiết cho các phép đo neutron.

Sự tán xạ neutron xác nhận mô hình không lường trước được nhìn thấy trong thí nghiệm tán xạ tia X, nhưng cũng cho thấy rằng hầu như không tốn năng lượng để các phân tử dao động theo hai chiều. Điều này giúp giải thích tại sao các electron bị kích thích có thể làm biến dạng mạng tinh thể dễ dàng như vậy.

Osborn, người tham gia vào cả hai bộ phép đo cho biết: “Công trình này là một ví dụ tuyệt vời về sự bổ sung của neutron và tia X trong việc tiết lộ cả cấu trúc và động lực học của các vật liệu phức tạp.”

Nghiên cứu thể hiện một bước tiến tới việc tận dụng tối đa nguồn năng lượng tái tạo chưa được khai thác hầu hết từ mặt trời, có thể có tác động đáng kể đến cả môi trường và kinh tế.