通过阻塞去除热量的振动来提高下一代太阳能电池的效率

用氘代替氢气使甲基铵更重，使其摇摆变慢，因此可以与去除热量的振动相互作用，使电荷载体更长。

由能源部橡木岭国家实验室和田纳西大学，诺克斯维尔的田纳西州，这是一个明亮的未来的太阳能材料，揭示了一种慢源的方式，运输热量。该发现可以改善新颖的热载体太阳能电池，该太阳能电池将阳光转换为电力比传统的太阳能电池更有效地通过利用光生电载流子在失去加热之前更有效地高效。

“我们表明，通过改变光伏材料中的氢原子的质量，可以操纵热传输和电荷 - 载体冷却时间，”奥诺尔的迈克尔·曼利说。“这条延伸了电荷载波的寿命的路线可以在新颖的热载体太阳能电池中实现记录太阳能转换效率的新策略。”

UT的Mahshid Ahmadi指出，“调整有机分子动态可以控制对OrersomulaliC Perovskites中的导热率重要的声音。”这些半导体材料是光伏应用的希望。

Manley和Ahmadi设计并管理了这项研究，在科学推进方面发表。材料合成的专家，中子散射，激光光谱和冷凝物理论发现了一种通过在有机金属钙钛矿中交换更轻的同位素来抑制浪费充电冷却的方法。

当阳光撞击太阳能电池时，光子在吸收材料中产生电荷载体 - 电子和孔。热载体太阳能电池迅速将电荷载体的能量转换为电力，然后损失废热。防止热量损失是这些太阳能电池的大挑战，这具有常规太阳能电池的效率是高效的。

常规Perovskite太阳能电池的转化效率从2009年的3％提高到2020年的25％以上。精心设计的热载体设备可以实现理论转换效率，接近66％。

研究人员研究了哌啶铅碘化物，钙钛矿吸收剂材料。在它的格子中，原子的集体激动会产生振动。振动彼此同步地移动是声学声子，而超出同步的那些是光学声音。

“通常，电荷载流子首先将热量失去光学声音，该光学声音比声子宫慢，”ornl共同作者Raphael Hermann。“后来，光学声音与带有这种能量的声学声子相互作用。”

然而，在称为“热敏瓶颈的区域”中，异国情调的物理学可以防止电子将它们的能量失去到传输热量的集体振动。为了增强光伏蠕动术中的这种效果，研究人员使用惯性，对象继续做到这一点的倾向，是休息或移动。

“我们基本上减慢了分子可以摇摆的速度，类似于在手中放慢旋转的溜冰运动员，”赫尔曼说。

为此，在一个有序的原子晶格中，Ahmadi和奥诺的昆仑洪在奥诺伊州的科学用户设施的DOE办事处的DOE办公室，LED合成了甲基铅碘化物的晶体晶体。它们取代了氢气的较轻同位素，通常发生蛋白质，其没有中子，具有较重的氘，具有一个中子，在钙钛矿的中央有机分子，甲基铵或mA中。同位素是化学相同的原子，其仅在由于中子数的差异而异。

接下来，Manley和Hermann与Ornl的Songxue Chi一起在高助焊剂同位素反应器中进行了三轴中子散射实验，在Orn1处的一家科学用户设施办公室，以映射质子化和氘代晶体中的声子分散体。因为它们在从非弹性X射线测量中看到了它们的测量和公布数据之间的分歧，所以它们在散装中子源上进行了额外的测量，在ornl的另一个科学用户设施办公室。在那里，卢克·奥诺的越来越多使用视觉振动谱仪来揭示所有可能的振动能量。组合结果表明，在氘代样品中具有短波长的纵向声学模式在氘代样品中更缓慢地传播，表明导热率可能降低。

Hsin Wang Ornl进行了热扩散率测量，以研究热量在晶体中移动。“这些测量告诉我们，散射将已经低导热率降低了50％，”马尼斯说。“我们意识到，也许这一发现会影响太阳能器件的建设者关心的东西 - 特别是保持电荷载体热。”

该研究提供了前所未有的理解原子大量增加对传热的影响。

“许多振动，如氢原子的拉伸模式，具有如此高的频率，它们通常不会与晶体的低能量振动相互作用，”德文说。下能量模式包括摇曳分子。

有机分子MA的摇曳频率比集体振动的频率高一点。然而，当氘原子取代较轻的氢同位素时，其大量质量会减慢MA的摇曳。它在更靠近集体振动的频率下摇曳，两次开始互动然后强烈耦合。同步声子缓慢，在去除热量时变得较低。

赫尔曼将频率的影响与当他的父亲推动他的摇摆时对男孩的不同行动的影响。“质子化案例就像男孩一样快速地将他的腿移动到与爸爸推动的同步。他不会走高。但是，如果他开始将他的腿围绕与摆动相同的频率，那就像被氘代的情况一样。孩子们已经足够放缓了他的腿，以便他开始与推动的挥杆同步，增加动量。他能够摇摆更高，因为这两个动作耦合。“

ORNL测量揭示了远远超过改变氢气质量的影响：磁力传输减慢了热量，使得电荷载体冷却时间加倍。

为了确认这一发现，ORNL共同作者郑云华采用了泵浦普通的实验，以测量氘代和质子疫苗的电子能源耗散在微小的时间表上，略微的四分之一。

“这些测量证实，沉重同位素诱导的声子和导热率的巨大变化转化为光兴奋电子的较慢的弛豫时间，”华说。“这是改善光伏特性的重要因素。”

加州大学，伯克利，共同作者姚蔡和马克阿斯塔，也与Doe的劳伦斯伯克利国家实验室进行了理论的计算，以了解声子行为的复杂性。

在ORNL-UT-LED研究中的发现可能为未来的热载体太阳能电池制造商提供亮点。

“声子看起来像一个非常有效的旋钮转动，我们知道如何转动旋钮，”马尼斯说。“当您想改进材料时，可以添加分子，甲基铵或其他东西。该发现可以为开发人员提供关于如何发展晶体的决定。“

添加了Ahmadi，“此知识可用于指导用于超出光伏的应用的材料设计，例如光学传感器和通信设备。”

本文的标题是“甲基磷酸铅碘化物中的声子分散和导热率”的“巨大同位素。”

参考：“巨大同位素对甲基铵铅碘化物的声音分散率和导热率”通过Me Manley，K. Hong，P. Yin，S. Chi，Y.Cai，C. Hua，LL Daemen，Rp Hermann，H. Wang，H. Wang，H. Wang，H. Wang 5月，M. Asta和M. Ahmadi，2020年7月31日，科学推进.DOI：
10.1126 / sciadv.aaz1842

DOE科学办公室，DOE能源效率办公室和可再生能源展览会技术官员，美国国土安全部门支持该研究。