新研究揭示氫鍵在鈣鈦礦太陽能電池中的關鍵作用

中子散射技術揭示了雜化鈣鈦礦的斜方晶繫結構的穩定性來自於其甲基銨離子的氮取代基與PbBr6八面體上角連接的溴化物之間的強氫鍵

中子散射技術實時揭示了雜化鈣鈦礦材料將太陽光轉化為能量的基本機理，而這種更深入的理論了解將使得生產商製造出轉化效率更高的太陽能電池。

來自美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL），內布拉斯加大學林肯分校和中國湖南大學的多個研究機構的研究人員使用光致發光測量，中子散射技術和X射線散射來研究材料的微觀結構與其光電性能之間的關係。通過研究不同溫度下的材料，研究人員能夠追蹤原子結構的變化，並確定氫鍵在材料性能中的關鍵作用。他們的研究結果發表在《先進材料》雜誌上。

雜化鈣鈦礦相較傳統太陽能電池材料，光能轉化潛力更高。它們可以從溶液中紡絲合成而不需要在高真空室內進行合成，因此也更容易生產。

有別於傳統太陽能電池的單一硅或鍺對應物，雜化鈣鈦礦由有機和無機分子組成。它們的結構包括以八面體單元排列的無機鉛和溴分子，這些無機鉛和溴分子圍繞由碳、氮和氫組成的有機甲基銨陽離子（帶正電的離子）形成籠狀結構。

ORNL納米材料科學中心研究員Kai Xiao說：「有機和無機分子都具有明確定義的晶體結構，這種結構優勢意味著我們可以通過調整其中一組或另一組來優化材料的特性。不過，儘管研究人員一直在研究這些材料已有好幾年，但仍然沒有從根本上了解有機組分如何影響材料的性能。」

找到有機、無機組分的正確組合和分子取向是解鎖鈣鈦礦材料更多應用的關鍵，不過想要了解這些相互作用需要合適的工具。

ORNL儀器科學家Xiaoping Wang講道：「中子就很適合用於這方面的檢測，因為它們對氫等較輕質元素很敏感，因此我們能夠跟蹤每個中子，獲得有關原子位置、溫度和運動狀態等信息。」

該團隊通過ORNL散裂中子源的TOPAZ儀器能夠觀察到原子尺度上的氫鍵相互作用，實驗揭示了雜化鈣鈦礦結構在大約130K和150K之間（大約-190°F和-225°F）經歷顯著的變化。冷卻材料減緩了有機成分向有序狀態的移動，使研究人員能夠實時精確地對該成分進行實時測量，從而準確觀察有機分子如何通過氫鍵與鉛-溴組分結合。

Wang表示：「實驗中我們發現排序與結構中的氫鍵直接相關，以及任何變化如何影響材料的能隙。這讓我們知道材料對太陽能吸收的程度如何，以及這對光伏材料的應用意味著什麼。」

ORNL材料科學與技術部的科學家進行了理論計算，並在CNMS上進行互補光致發光和X射線散射測量以及晶體合成。

Xiao表示：「雜化鈣鈦礦已經是一種很好的光電材料，現在我們知道有機分子的取向如何影響晶體結構，以及我們要如何進一步調整以改變所需的性質。這一新層次的理解將有助於我們設計出具有更大潛力的新材料。

文章來自materialstoday網站，標題為New study reveals key role of hydrogen bonding in perovskite solar cells，由新材料科技在線團隊整理編輯。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！