作者格伦达·楚伊，美国国家加速器实验室 一幅插图显示了极化子——材料原子晶格中短暂的扭曲——在一种有前途的下一代能源材料——铅混合钙钛矿中
SLAC和斯坦福大学的科学家首次观察到这些扭曲的“气泡”是如何在电荷载体周围形成的——电子和空穴是由光脉冲释放出来的——这里显示为亮点
这个过程可能有助于解释为什么电子在这些材料中传播如此有效，从而导致高太阳能电池性能
学分:格雷格·斯图尔特/SLAC国家加速器实验室 极化子是材料原子晶格中短暂的扭曲，在几万亿分之一秒内围绕移动的电子形成，然后迅速消失
尽管它们短暂，但它们会影响材料的行为，甚至可能是用铅混合钙钛矿制成的太阳能电池在实验室中获得极高效率的原因
现在，美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的科学家首次使用实验室的x光激光观察并直接测量极化子的形成
他们今天在《自然材料》上报道了他们的发现
“这些材料因其高效率和低成本而在太阳能研究领域掀起轩然大波，但人们仍在争论它们为什么起作用，”艾伦·林登伯格说，他是SLAC斯坦福材料与能源科学研究所的研究员，也是斯坦福大学的副教授，他领导了这项研究
“极化子可能参与其中的想法已经存在多年了，”他说
“但我们的实验是第一次直接观察到这些局部扭曲的形成，包括它们的大小、形状以及它们是如何演变的
" 激动人心，复杂难懂 钙钛矿是以矿物钙钛矿命名的晶体材料，具有相似的原子结构
大约10年前，科学家们开始将它们整合到太阳能电池中，这些电池将阳光转化为能量的效率稳步提高，尽管它们的钙钛矿成分存在许多缺陷，应该会抑制电流的流动
林登伯格说，这些材料非常复杂，难以理解
虽然科学家们发现它们令人兴奋，因为它们既高效又容易制造，增加了它们制造太阳能电池比今天的硅电池更便宜的可能性，但它们也非常不稳定，暴露在空气中时会分解，并且含有必须远离环境的铅
SLAC大学以前的研究已经用“电子照相机”或x光束研究过钙钛矿的性质
除此之外，他们还揭示了光使原子在钙钛矿中旋转，他们还测量了通过材料传递热量的声学声子——声波——的寿命
一幅插图显示了极化子——材料原子晶格中短暂的扭曲——在一种有前途的下一代能源材料——铅混合钙钛矿中
SLAC和斯坦福大学的科学家首次观察到这些扭曲的“气泡”是如何在电荷载体周围形成的——电荷载体是由光脉冲释放出来的电子和空穴——这里显示为亮点
这个过程可能有助于解释为什么电子在这些材料中传播如此有效，从而导致高太阳能电池性能
学分:格雷格·斯图尔特/SLAC国家加速器实验室 在这项研究中，林登伯格的团队使用了实验室的直线加速器相干光源(LCLS)，这是一种强大的x光自由电子激光器，可以对材料进行近原子细节成像，并捕捉百万分之一秒到十亿分之一秒内发生的原子运动
他们观察了斯坦福大学赫马马拉·卡努达斯副教授团队合成的材料的单晶
他们用光学激光照射一小块材料，然后用x光激光观察材料在几十万亿分之一秒内的反应
膨胀的变形气泡 美国能源部阿尔贡国家实验室的科学家布拉克·古泽尔特克(Burak Guzelturk)说:“当你用光撞击一种材料时，就像太阳能电池中发生的情况一样，电子被释放出来，这些自由电子开始在材料周围移动。”
“很快它们就被一种局部扭曲的气泡——极化子——包围和吞噬，这种气泡随它们一起运动，”他说
“一些人认为，这种‘气泡’保护电子不被材料中的缺陷散射，并有助于解释为什么它们能如此高效地传播到太阳能电池的触点并以电流形式流出
" 混合钙钛矿晶格结构灵活而柔软——就像林登伯格所说的“固体和液体的奇怪结合”——这就是极化子形成和生长的原因
他们的观察显示，极化子扭曲开始时非常小——大约在几埃的范围内，相当于固体中原子之间的间距——然后迅速向四面八方扩展，直径约为50亿分之一米，大约增加了50倍
这使得大约10层原子在几十皮秒或万亿分之一秒的时间里在一个大致球形的区域内略微向外移动
“这种扭曲实际上相当大，这是我们以前不知道的，”林登伯格说
“这完全出乎意料
" 他补充说，“虽然这个实验尽可能直接地表明这些物体确实存在，但它并没有表明它们如何提高太阳能电池的效率
要理解这些过程如何影响这些材料的性质，还有进一步的工作要做
"
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