Perovskites ซึ่งเป็นวัสดุประเภทหนึ่งที่มีโครงสร้างผลึกที่เป็นเอกลักษณ์ สามารถแซงหน้าเทคโนโลยีปัจจุบันสำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงานแสงอาทิตย์ได้ พวกมันถูกกว่าวัสดุที่ใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์ในปัจจุบัน และได้แสดงให้เห็นคุณสมบัติที่โดดเด่นของเซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งเป็นพฤติกรรมที่ช่วยให้พวกเขาสามารถแปลงแสงแดดเป็นพลังงานไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การเปิดเผยธรรมชาติของ perovskites ในระดับอะตอมมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจความสามารถที่มีแนวโน้ม ข้อมูลเชิงลึกนี้สามารถช่วยแจ้งแบบจำลองต่างๆ เพื่อกำหนดส่วนประกอบที่เหมาะสมของวัสดุ perovskite สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งสามารถนำไปใช้ในยานยนต์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และแม้แต่เครื่องทำความร้อนในบ้านและเครื่องใช้อื่นๆ

นักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Argonne ของกระทรวงพลังงานสหรัฐ (DOE) เข้าร่วมในความร่วมมือที่นำโดยมหาวิทยาลัย Duke พร้อมด้วยห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Oak Ridge ของ DOE และผู้ทำงานร่วมกันอื่นๆ เพื่อศึกษาการทำงานภายในของวัสดุ perovskite โดยใช้เครื่องเอ็กซ์เรย์ระดับโลก ความสามารถในการกระเจิงที่ Argonne และความสามารถในการกระเจิงนิวตรอนที่ Oak Ridge ความสามารถในการกระเจิงช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถสังเกตพฤติกรรมของวัสดุในระดับอะตอมได้ และการศึกษาพบว่าการเคลื่อนไหวเหมือนของเหลวใน perovskites อาจอธิบายวิธีที่พวกมันผลิตกระแสไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ

Olivier Delaire หัวหน้านักวิทยาศาสตร์ด้านการศึกษากล่าวว่า "มีสิ่งที่น่าตื่นเต้นมากมายเกี่ยวกับวัสดุเหล่านี้ แต่เราไม่เข้าใจว่าทำไมพวกมันถึงเป็นเซลล์แสงอาทิตย์ที่ดีเช่นนี้"

เมื่อแสงตกกระทบวัสดุโซลาร์เซลล์ อิเล็กตรอนจะกระตุ้นอิเล็กตรอน กระตุ้นให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากอะตอมและเดินทางผ่านวัสดุเพื่อนำไฟฟ้า ปัญหาที่พบบ่อยคืออิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นสามารถรวมตัวกันใหม่กับอะตอมแทนที่จะเดินทางผ่านวัสดุ ซึ่งสามารถลดการผลิตไฟฟ้าได้อย่างมากเมื่อเทียบกับปริมาณแสงแดดที่กระทบกับวัสดุ

“ Perovskites ทำได้ดีในการป้องกันการรวมตัวกันใหม่” Ray Osborn จาก Argonne กล่าว "เราต้องการทราบว่ากลไกใดทำให้เกิดสิ่งนี้ และหากเราสามารถเรียนรู้จากสิ่งนี้เพื่อสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ที่ดีขึ้น"

ทีมวิจัยได้ศึกษาสารเพอร์รอฟสกีที่ง่ายที่สุดชนิดหนึ่ง ซึ่งเป็นสารประกอบของซีเซียม ตะกั่ว และโบรมีน (CsPbBr 3 ) เพื่อหาว่าเกิดอะไรขึ้นในระดับอะตอม

การใช้ความสามารถในการกระเจิงด้วยรังสีเอกซ์ที่ลำแสงของกลุ่มวัสดุแม่เหล็กของ Argonne (6-ID-D) ที่แหล่งกำเนิดโฟตอนขั้นสูงของห้องปฏิบัติการ สำนักงานผู้ใช้วิทยาศาสตร์ของ DOE ทีมงานได้จับตำแหน่งเฉลี่ยของอะตอมในผลึก perovskite ที่อุณหภูมิต่างกัน . พวกเขาพบว่าแต่ละอะตอมของตะกั่วและกรงของอะตอมโบรมีนที่อยู่รอบๆ ก่อตัวเป็นหน่วยที่แข็งกระด้างซึ่งมีลักษณะเหมือนโมเลกุล หน่วยเหล่านี้สั่น - หรือกระตุกไปมา - ในลักษณะเหมือนของเหลว

"โมเลกุลในวัสดุนี้หมุนรอบโมเลกุลอื่น ๆ ราวกับว่าพวกมันถูกบานพับเข้าด้วยกัน และรอบ ๆ บานพับ โมเลกุลจะทำหน้าที่เหมือนฟลอปปี้" Delaire กล่าว

ทฤษฎีหนึ่งที่อธิบายว่า perovskites ต่อต้านการรวมตัวใหม่คือการบิดเบือนเหล่านี้ในโครงตาข่ายหรือโครงสร้างผลึกตามอิเล็กตรอนอิสระขณะที่พวกเขาสำรวจวัสดุ อิเล็กตรอนอาจทำให้โครงตาข่ายเสียรูป ทำให้เกิดการรบกวนเหมือนของเหลว ซึ่งจะป้องกันไม่ให้พวกมันตกกลับเข้าไปในอะตอมของโฮสต์ ทฤษฎีนี้ซึ่งได้รับการสนับสนุนจากผลการทดลองใหม่ สามารถให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับวิธีการออกแบบวัสดุ perovskite ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์

ข้อมูลยังระบุด้วยว่าโมเลกุลในวัสดุแกว่งไปมาภายในระนาบสองมิติ โดยไม่มีการเคลื่อนที่ข้ามระนาบ คล้ายกับการขี่คาร์นิวัลที่แกว่งไปทางขวาเท่านั้น แต่ไม่เคยหันหลังไปข้างหลัง ลักษณะสองมิติของการบิดเบือนของคริสตัลอาจเป็นอีกชิ้นหนึ่งที่อธิบายว่า perovskite สามารถป้องกันการรวมตัวกันของอิเล็กตรอนได้อย่างไรซึ่งเอื้อต่อประสิทธิภาพของวัสดุ

จากข้อมูลของ Osborn รูปแบบสองมิติในข้อมูลการกระเจิงของรังสีเอกซ์นั้นไม่เคยเห็นมาก่อน "จากการวัดที่ไม่คาดคิดเหล่านี้ เราต้องการเจาะลึกยิ่งขึ้นโดยไม่เพียงแค่ดูตำแหน่งอะตอมโดยเฉลี่ยเท่านั้น แต่ยังต้องพิจารณาว่าอะตอมเคลื่อนที่ไปอย่างไรในแบบเรียลไทม์ด้วย" เขากล่าว

เพื่อตรวจสอบการเคลื่อนที่ของอะตอมโดยตรง ทีมงานได้ใช้ความสามารถในการกระเจิงของนิวตรอนที่ Spallation Neutron Source ซึ่งเป็นสำนักงานผู้ใช้ DOE Office of Science ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Oak Ridge นักวิจัยจากแผนกวัสดุศาสตร์ของ Argonne และมหาวิทยาลัย Northwestern ได้ขยายผลึกขนาดใหญ่ที่มีขนาดเซนติเมตรซึ่งจำเป็นสำหรับการวัดนิวตรอน

การกระเจิงของนิวตรอนยืนยันรูปแบบที่ไม่คาดฝันในการทดลองการกระเจิงด้วยรังสีเอกซ์ แต่แสดงให้เห็น นอกจากนี้ แทบไม่ใช้พลังงานเลยเพื่อให้โมเลกุลสั่นในสองมิติ สิ่งนี้ช่วยอธิบายได้ว่าทำไมอิเลคตรอนที่ถูกกระตุ้นสามารถทำให้โครงตาข่ายเสียรูปได้ง่าย

"งานนี้เป็นตัวอย่างที่สวยงามของการเสริมนิวตรอนและรังสีเอกซ์ในการเปิดเผยทั้งโครงสร้างและพลวัตของวัสดุที่ซับซ้อน" ออสบอร์นซึ่งเกี่ยวข้องกับการวัดทั้งสองชุดกล่าว

การศึกษานี้เป็นขั้นตอนหนึ่งในการใช้ประโยชน์จากพลังงานหมุนเวียนที่ไม่ได้ใช้ส่วนใหญ่จากดวงอาทิตย์ ซึ่งอาจส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อทั้งสิ่งแวดล้อมและเศรษฐกิจ