研究称扭曲的柔性晶体是先进的新型太阳能电池的关键

该成果于3月15日在线发表在《自然材料》杂志上。

“人们对卤化物钙钛矿在光伏、热电、光电辐射检测和发射等能源领域的应用有着广泛的兴趣--整个领域非常活跃，”杜克大学机械工程和材料科学副教授Olivier Delaire说。“虽然我们明白这些材料的柔软度对其电子特性很重要，但没有人真正知道我们所发现的原子运动是如何支撑这些特征的。”

钙钛矿是一类材料--通过正确的元素组合--生长成一种晶体结构，使其特别适合能源应用。它们吸收光并有效转移其能量的能力使它们成为研究人员开发新型太阳能电池等的共同目标。它们也很柔软，有点像纯金很容易凹陷，这使它们在制成薄膜时有能力容忍缺陷并避免开裂。

然而，一种尺寸并不适合所有的情况，因为有广泛的潜在配方可以形成钙钛矿。许多最简单和研究最多的配方包括一个卤素--如氯、氟或溴--使它们被称为卤化物钙钛矿。在过氧化物的晶体结构中，这些卤化物是将相邻的八面体晶体基团拴在一起的连接点。虽然研究人员已经知道这些支点对创造过氧化物的特性至关重要，但没有人能够研究它们让周围的结构动态地扭曲、转弯和弯曲而不破裂的方式。

“这些结构运动在实验上难以确定，这是众所周知的。选择的技术是中子散射，这需要付出巨大的仪器和数据分析努力，很少有小组能像Olivier和他的同事那样掌握这种技术，”杜克大学机械工程和材料科学教授Volker Blum说，他也进行钙钛矿的理论建模，但没有参与这项研究。“这意味着，他们有能力揭示基本钙钛矿中的材料特性的基础，否则就无法实现。”

在这项研究中，来自阿贡国家实验室、橡树岭国家实验室、美国国家科学技术研究所和西北大学的Delaire及其同事，首次揭示了结构简单、常被研究的卤化物钙钛矿（CsPbBr3）的重要分子动力学。

研究人员从一个大型的、厘米级的卤化物钙钛矿单晶开始，众所周知，卤化物钙钛矿很难生长到这样的尺寸--这也是之前一直没有实现这种动态研究的主要原因。然后，他们在橡树岭国家实验室用中子和阿贡国家实验室用X射线对该晶体进行了轰击。通过测量中子和X射线在许多角度和不同的时间间隔内如何从晶体上反弹，研究人员弄清了它的组成原子如何随时间移动。

在用计算机模拟确认了他们对测量结果的解释后，研究人员发现了晶体网络到底有多活跃。通过溴原子相互连接的八面八面体基团被捕捉到在板状域中集体扭曲，并以非常流畅的方式不断来回弯曲。

“由于原子的排列方式是以八面体基团共享溴原子作为连接点，它们可以自由地进行这些旋转和弯曲，”Delaire说。“但我们发现，这些卤化物过氧化物特别是比其他一些配方更'软弱'。它们不是立即弹回形状，而是非常缓慢地返回，几乎更像果冻或液体，而不是传统的固体晶体。”

Delaire解释说，这种自由的“分子舞蹈”对于理解卤化物过氧化物的许多理想特性非常重要。它们的“软性”阻止电子重新组合到传入的光子将它们击出的孔中，这有助于它们从太阳光中制造大量的电力。而且它很可能还使热能难以穿过晶体结构，这使得它们能够通过让材料的一面比另一面热得多来从热能中产生电力。

由于研究中使用的钙钛矿--CsPbBr3--具有最简单的配方之一，但已经包含了这些化合物广泛家族所共有的结构特征，因此Delaire认为，这些发现很可能适用于大范围的卤化物钙钛矿。例如，他列举了混合有机-无机卤化物钙钛矿，它们的配方要复杂得多，以及更环保的无铅双钙钛矿变体。

“这项研究表明，为什么这种钙钛矿框架即使在最简单的情况下也很特殊，”Delaire说。“这些发现很有可能扩展到更复杂的配方，目前全世界的许多科学家都在研究这些配方。当他们筛选巨大的计算数据库时，我们所发现的动态可以帮助决定追求哪些钙钛矿。”