بازدهی سلول‌های خورشیدی پروسکایت در مقیاس اتمی
تیمی از دانشمندان برای درک بهتر رفتار مواد پروسکایت در مقیاس اتمی، عملکرد داخلی آن‌ها را مطالعه کردند. کار آن‌ها نشان داد که یک حرکت مایع‌مانند در پروسکایت‌ها باعث تولید مؤثر جریان الکتریکی می‌شود.
دانشمندان توضیح دادند که هنگامی که نور به یک ماده فتوولتاییک برخورد می‌کند، الکترون‌های آن را برانگیخته می‌کند، و باعث خارج شدن این الکترون‌ها از اتم و جریان یافتن آن‌ها در داخل ماده، و هدایت الکتریسیته می‌شوند. یکی از موانع پیش رو این است که الکترون‌های برانگیخته ممکن است به جای این که در داخل ماده جریان یابند، با اتم‌ها بازترکیب شوند. این امر می‌تواند مقدار الکتریسیته تولیدی نسبت به میزان نور تابشی خورشید به سطح ماده را کاهش دهد.
به گفته دانشمندان، پروسکایت‌ها در جلوگیری از این بازترکیب عملکرد خوبی دارند، اما هدف از این مطالعات، کشف مکانیسم عملکرد پروسکایت‌ها برای این امر و بهبود سلول‌های خورشیدی با استفاده از این راهکار بود. این تحقیقات که به رهبری دانشگاه دوک انجام شده است شامل دانشمندان آزمایشگاه ملی آرگون دپارتمان انرژی آمریکا و آزمایشگاه ملی اوک ریج بود. این تیم یکی از ساده‌ترین پروسکایت‌ها را که ترکیبی از سزیم، سرب و برم است (CsPbBr3) را مطالعه کردند. آن‌ها از قابلیت پراکندگی اشعه ایکس موجود در گروه مواد مغناطیسی آرگون استفاده کردند.
این تیم موقعیت‌های میانگین اتم‌ها را در یک بلور پروسکایت در دماهای مختلف به دست آوردند. آن‌ها دریافتند که هر اتم سرب و قفسی از اتم‌های برم موجود در اطراف آن، واحدهای سختی را تشکیل می‌دهند که مانند مولکول‌ها رفتار می‌کنند. به طور خاص، این واحدها به روشی مایع‌مانند نوسان می‌کنند.
یک تئوری برای توضیح چگونگی مقاومت پروسکایت‌ها در برابر بازترکیب این است که این اعوجاج‌ها در شبکه، یا ساختار بلوری، از الکترون‌های آزاد هنگام عبور از مواد، پیروی می‌کنند. الکترون‌ها ممکن است باعث تغییر شکل شبکه شوند و باعث ایجاد اختلالات مایع‌مانند شوند، که مانع از بازگشتن دوباره آن‌ها به داخل اتم‌های میزبان می‌شود. محققان می‌گویند این تئوری ممکن است بینش جدیدی در مورد نحوه طراحی مواد بهینه پروسکایت برای سلول‌های خورشیدی ارائه دهد.
همچنین داده‌ها نشان داد که مولکول‌های موجود در ماده در صفحه‌های دوبعدی نوسان دارند و هیچ حرکتی خارج از صفحه وجود ندارد. این طبیعت دو بعدی توضیح می‌دهد که چگونه پروسکایت می‌تواند از بازترکیب مجدد الکترون جلوگیری کند و باعث افزایش بازدهی مواد پروسکایت شود.
برای بررسی مستقیم حرکت اتم‌ها، آن‌ها از قابلیت‌های پراکندگی نوترون در آزمایشگاه ملی اوک ریج استفاده کردند. پراکندگی نوترون الگویی را که در آزمایش پراکندگی اشعه ایکس مشاهده شده بود تأیید کرد. همچنین نشان داد که تقریباً هیچ انرژی لازم نیست تا مولکول‌ها در دو بعد نوسان کنند. محققان گفتند این توضیحات می‌تواند نشان دهد که چرا الکترون‌های برانگیخته می‌توانند به این راحتی باعث تغیییر شکل در شبکه شوند.
مقاله‌ای درباره این مطالعه در ماه مارس در مجله Nature Materials منتشر شده است. مطالعات محاسباتی برای حمایت از این آزمایش در مرکز محاسبات علمی تحقیقات ملی انرژی در آزمایشگاه ملی برکلی انجام شد. بودجه تحقیق توسط دفتر علوم پایه انرژی DOE، بخش علوم و مهندسی مواد تأمین شده است.