光电材料技术突破可能带来更便宜和高效的能源

2021-04-25 10:16:44 来源:cnBeta.COM
通过在光物理学实验中使用激光光谱学,克莱姆森大学的研究人员取得了新的突破,这可能会带来更快、更便宜的能源来驱动电子器件。这种使用溶液处理过的过氧化物的新方法,旨在彻底改变各种日常物品,如太阳能电池、LED、智能手机和计算机芯片的光电探测器。

溶液加工的过氧化物是下一代材料,可用于屋顶的太阳能电池板、医疗诊断的X射线探测器和日常生活照明的LED。
 

该研究小组包括一对研究生和一名本科生,他们由理学院物理和天文学系的量子设备超快光物理学(UPQD)小组的组长高建波指导。

这项合作研究于3月12日发表在高影响力的《自然-通讯》杂志上。这篇文章的题目是 "以超快的时间和超高的能量分辨率对有机金属卤化物过氧化物薄膜中的被困载流子进行原位观测"。

"过氧化物材料是为太阳能电池和LED等光学应用而设计的,"该研究文章的第一作者、研究生Kobbekaduwa说。"它很重要,因为与目前的硅基太阳能电池相比,它的合成要容易得多。这可以通过溶液处理来完成--而在硅中,你必须有不同的方法,这些方法更加昂贵和耗时。"

这项研究的目标是制造出更有效、更便宜、更容易生产的材料。

高氏团队使用的独特方法:采用超快的光电流光谱,这可以比大多数方法有更高的时间分辨率,以确定被困载流子的物理学特性。在这门学科里,以皮秒为单位测量数据是经常性的,也就是一万亿分之一秒。

"我们使用这种(过氧化物)材料制造设备,使用激光对其进行照射并激发材料内的电子,"Kobbekaduwa说。"然后通过使用一个外部电场来产生一个光电流。通过测量该光电流,我们实际上可以告诉人们这种材料的特性。在我们的案例中,我们定义了一个陷落状态,这是材料中的缺陷,会影响我们得到的电流。"

一旦定义了物理学特性,研究人员就可以确定缺陷,也就是最终在材料中产生低效率的原因。当缺陷被减少或钝化时,便可以带来效率的提高,这对太阳能电池和其他设备至关重要。

由于材料是通过旋涂或喷墨打印等溶液工艺产生的,引入缺陷的可能性会由此增加。低温工艺比产生纯净材料的超高温方法更便宜。但代价是材料中的缺陷更多。在这两种技术之间取得平衡,可以意味着以较低的成本获得更高的质量和更有效的设备。

通过向材料发射激光来测试衬底样品,以确定信号如何在其中传播。使用激光照亮样品并收集电流使这项工作成为可能,并使其与其他不使用电场的实验有所区别。

"UPQD小组的Adhikari说:"通过分析该电流,我们能够看到电子如何移动以及它们如何从缺陷中出来。"这是有可能的,因为我们的技术涉及超快的时间尺度和电场下的原位设备。一旦电子落入缺陷,那些使用其他技术进行实验的人无法将其取出。但我们可以把它取出来,因为我们有电场。电子在电场下有电荷,它们可以从一个地方移动到另一个地方。我们能够分析它们在材料内部从一个点到另一个点的传输。"

这种传输和材料缺陷对它的影响会影响到这些材料的性能和它们所使用的设备。这都是学生们在导师的指导下进行的重要发现的一部分,创造出的进展将带来下一个伟大的突破。


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