Nötronlar Hibrit Perovskit Güneş Pilleri için Artırılmış Performansın İçyüzünün Anlaşılmasını Sağlar
Fotoğraf : Nötron etkileşimleri, metil amonyum katyonlarının nitrojeni ve PbBr6 oktahedral yapısında köşeye bağlı bromürleri arasındaki güçlü hidrojen bağları ile stabilize edilen hibrit perovskitin ortorombik kristal yapısını ortaya çıkardı.
Nötron saçılımı güneş ışığının hibrit perovskite materyallerde enerjiye dönüşmesinin arkasındaki temel mekanizmaları gerçek zamanda ortaya çıkardı. Bu davranışın daha iyi anlaşılması üreticilerin daha yüksek verimlilikle güneş pilleri tasarlamalarına olanak sağlayacaktır.
Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı Enerji Bölümü, Hunan Üniversitesi ve Nebraska-Lincoln Üniversitesi’nden çok kurumlu araştırmacılar ekibi, malzemenin mikroskobik yapısı ve onun optoelekronik özellikleri arasındaki ilişkiyi çalışmak için fotolüminesans ölçümlerini nötron ve x-ışını saçılımı ile birlikte kullandılar. Malzemeyi değişen sıcaklık dereceleri altında inceleyen araştırmacılar, atomik yapısal değişiklikleri izleyebildiler ve hidrojen bağının malzemenin performansında nasıl önemli bir rol oynadığını tespit ettiler. Çalışmanın sonuçları Advanced Materials dergisinde yayınlanmaktadır.
Hibrit perovskitler ışığı geleneksel güneş pili materyallerine göre enerjiye dönüştürmede daha verimli olacağına dair söz veriyor. Ayrıca, çözeltiden çeşitli dönüş yapabilecekleri ve sentez için yüksek vakumlu hazneler gerektirmedikleri için üretimleri de kolaydır.
Geleneksel güneş pili materyallerinin tekil silikon ve germanyum benzerlerinin aksine hibrit perovskitler hem organik hem de inorganik moleküllerden yapılır. Yapı karbon, nitrojen ve hidrojenden oluşan organik metil amonyum katyonları etrafında kafesler oluşturan oktahedral birimlerinde düzenlenmiş inorganik kurşun ve brom moleküllerinden inşa edilmiştir.
ORNL Nanofaz Malzeme Bilimi Merkezi’nde araştırmacı Kai Xiao, “İyi tanımlanmış bir kristal yapıda hem organik hem de inorganik moleküllere sahip olmanın avantajı, malzemeyi optimize etmek için bir grubu veya diğerini ayarlayarak malzemeyi uyarlayabileceğimiz anlamına geliyor. Ancak araştırmacılar bu materyalleri birkaç yıldır inceledikleri halde, hala organik bileşenlerin özellikleri nasıl etkilediğini temel seviyede tam olarak anlamadık.” dedi.
Organik / inorganik bileşenlerin doğru kombinasyonunu ve moleküler yönelimini bulmak daha fazla işlevin kilidini açmanın anahtarıdır, ancak bu etkileşimleri anlamak doğru araçları gerektirir.
ORNL enstrüman bilimcisi Xiaoping Wang, “Nötronlar bu konuda çok iyidir çünkü hidrojen gibi daha hafif elementlere karşı hassastırlar. Her nötronu takip edebiliyoruz, böylece atomların nerede olduğu, sıcaklıklarının ne olduğu ve nasıl davrandıkları gibi şeyler hakkında bilgi alıyoruz.” dedi. Ekip ORNL Spallation Nötron Kaynağına ait TOPAZ isimli aletini kullanarak atomik ölçekte hidrojen bağlama etkileşimlerini gözlemleyebildi.
Deney, malzemenin yaklaşık 150 ve 130 Kelvin arasında (yaklaşık -190 ve -225 derece Fahrenhayt) önemli yapısal değişikliklere maruz kaldığını ortaya çıkarmıştır. Malzemenin soğutulması organik bileşenin hareketini yavaşlattı. Organik moleküllerin hidrojen bağlarıyla kurşun-bromin bileşenine nasıl bağlandığını tam olarak gözlemleyebilmek için burada gerçek zamanlı ölçümler yapılmıştır.
Wang, “Sıralamanın yapıdaki hidrojen bağlarıyla doğrudan ilişkili olduğunu ve herhangi bir değişikliğin malzemenin enerji boşluğunu nasıl etkileyebileceğini gördük. Bu, güneş ışığının ne kadar iyi emildiğini ve fotovoltaik malzemelere yönelik uygulamalar açısından ne anlama gelebileceğini bize bildirir.” dedi.
Kristal sentezi ile birlikte yapılan tamamlayıcı fotolüminesans ve x-ışını saçılma ölçümleri CNMS’de gerçekleştirilmiştir. Teorik hesaplamalar ise ORNL Malzeme Bilimi ve Teknolojisi Bölümü’nde bilim adamları tarafından gerçekleştirildi. Xiao, “Hibrit peroksit zaten iyi bir malzeme. Şimdi organik moleküllerin yöneliminin kristal yapıyı nasıl etkilediğini ve bunları istenen özellikleri değiştirmek için nasıl daha fazla ayarlayabileceğimizi biliyoruz ve bu yeni temel anlayış daha fazla potansiyele sahip yeni malzemeler tasarlamamızı mümkün kılacak.” dedi.
Kaynak : phys.org
