太陽(yáng)在一小時(shí)內(nèi)提供給地球的能量比人類一整年消耗的還要多。世界各地的科學(xué)家們正在尋找能夠經(jīng)濟(jì)有效地捕獲這種無(wú)碳能源并將其轉(zhuǎn)化為電能的材料。

過(guò)氧化物，一類具有獨(dú)特晶體結(jié)構(gòu)的材料，可以超越目前的太陽(yáng)能收集技術(shù)。它們比目前的太陽(yáng)能電池所使用的材料更便宜，而且它們已經(jīng)顯示出顯著的光伏特性--這種行為使它們能夠非常有效地將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能。

揭示過(guò)氧化物在原子尺度上的性質(zhì)對(duì)于理解其有前途的能力至關(guān)重要。這種洞察力可以幫助為模型提供信息，以確定用于太陽(yáng)能電池的過(guò)氧化物材料的最佳構(gòu)成，這可用于為車(chē)輛、電子設(shè)備、甚至家庭加熱和其他電器提供動(dòng)力。

美國(guó)能源部（DOE）阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們參加了由杜克大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)合作，與DOE的橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和其他合作者一起，利用阿貢的X射線散射能力和橡樹(shù)嶺的中子散射能力，研究了一種過(guò)氧化物材料的內(nèi)部運(yùn)作。散射能力使科學(xué)家們能夠在原子尺度上觀察該材料的行為，該研究顯示，過(guò)氧化物中類似液體的運(yùn)動(dòng)可能解釋了它們?nèi)绾斡行У禺a(chǎn)生電流。

這項(xiàng)研究的首席科學(xué)家、杜克大學(xué)的OlivierDelaire說(shuō)："圍繞這些材料有很多興奮點(diǎn)，但我們并不完全了解它們?yōu)槭裁词侨绱撕玫墓夥牧稀?

當(dāng)光線照射到光伏材料上時(shí)，它會(huì)激發(fā)電子，促使它們從原子中跳出來(lái)，穿過(guò)材料，進(jìn)行導(dǎo)電。一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題是，受激電子可以與原子重新結(jié)合，而不是穿過(guò)材料，這可能會(huì)大大降低相對(duì)于照射到材料上的陽(yáng)光量所產(chǎn)生的電力。

阿貢的RayOsborn說(shuō)："過(guò)氧化物在防止重組方面做得很好。我們想知道是什么機(jī)制造成的，以及我們是否可以從中學(xué)習(xí)，以創(chuàng)造更好的太陽(yáng)能電池。"

該團(tuán)隊(duì)研究了最簡(jiǎn)單的過(guò)氧化物之一--銫、鉛和溴的化合物（CsPbBr3），以弄清在原子尺度上發(fā)生了什么。

實(shí)驗(yàn)中使用的CsPbBr3過(guò)氧化物晶體。阿貢材料科學(xué)部和西北大學(xué)的研究人員培育出了中子測(cè)量所需的大型、厘米級(jí)晶體。

利用阿貢磁性材料小組在該實(shí)驗(yàn)室高級(jí)光子源（DOE科學(xué)辦公室用戶設(shè)施）的光束線（6-ID-D）上的X射線散射能力，該小組捕獲了不同溫度下過(guò)氧化物晶體中原子的平均位置。他們發(fā)現(xiàn)，每個(gè)鉛原子及其周?chē)匿逶踊\形成的剛性單元表現(xiàn)得像分子。這些單元以一種類似液體的方式來(lái)回?cái)[動(dòng)--或者說(shuō)來(lái)回抖動(dòng)。

德萊爾說(shuō)："這種材料中的分子圍繞其他分子旋轉(zhuǎn)，就像它們被鉸鏈連接在一起，而在鉸鏈周?chē)肿颖憩F(xiàn)得有點(diǎn)軟弱。"

解釋過(guò)氧化物如何抵制重組的一個(gè)理論是，晶格或晶體結(jié)構(gòu)的這些扭曲在自由電子穿越材料時(shí)跟隨它們。電子可能會(huì)使晶格變形，造成類似液體的擾動(dòng)，然后阻止它們落回其宿主原子中。這一理論得到了新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支持，可以為如何設(shè)計(jì)太陽(yáng)能電池的最佳過(guò)氧化物材料提供新的見(jiàn)解。

數(shù)據(jù)還表明，該材料中的分子在二維平面內(nèi)擺動(dòng)，沒(méi)有跨平面的運(yùn)動(dòng)--類似于一個(gè)只從左到右擺動(dòng)，但從不從前到后擺動(dòng)的狂歡節(jié)游樂(lè)設(shè)施。晶體扭曲的二維性質(zhì)可能是解釋過(guò)氧化物如何能夠防止電子重組的又一個(gè)難題，有助于提高材料的效率。

用阿貢高級(jí)光子源的X射線（上半部）和橡樹(shù)嶺的輻照中子源的中子測(cè)量的漫散射數(shù)據(jù)。二維波動(dòng)隨著溫度從60℃（左）提高到160℃（右）而增長(zhǎng)。

據(jù)Osborn說(shuō)，X射線散射數(shù)據(jù)中的二維模式從未被看到過(guò)。他說(shuō)："基于這些出乎意料的測(cè)量結(jié)果，我們想通過(guò)不僅觀察平均原子位置，而且觀察原子如何實(shí)時(shí)移動(dòng)來(lái)更深入地挖掘。”

為了直接研究原子的運(yùn)動(dòng)，研究小組使用了輻照中子源的中子散射能力，這是美國(guó)能源部科學(xué)辦公室在橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)用戶設(shè)施。阿貢材料科學(xué)部和西北大學(xué)的研究人員生長(zhǎng)了中子測(cè)量所需的大型厘米級(jí)晶體。

中子散射證實(shí)了在X射線散射實(shí)驗(yàn)中看到的未預(yù)見(jiàn)到的模式，但也表明，分子在兩個(gè)維度上振蕩幾乎不需要任何能量。這有助于解釋為什么受激電子可以如此容易地使晶格變形。

參與這兩組測(cè)量的Osborn說(shuō)："這項(xiàng)工作是中子和X射線在揭示復(fù)雜材料的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)方面的互補(bǔ)性的一個(gè)完美例子。"

這項(xiàng)研究代表著向充分利用來(lái)自太陽(yáng)的基本未開(kāi)發(fā)的可再生能源邁出了一步，這可能對(duì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大影響。