阿貢實(shí)驗(yàn)室研究人員幫助確定了在ZnO納米粒子中空穴捕獲過程。因?yàn)樵撨^程吸收了紫外線，所以這種材料對太陽能應(yīng)用具有一定的市場。來源：Christopher Milne
當(dāng)太陽能電池吸收可見光光子時(shí)，便開始了一場與時(shí)間的電子競賽。兩個(gè)粒子即帶負(fù)電荷的電子和帶正電荷的“空穴”—如果它們完全分離，則會(huì)產(chǎn)生電。
但在這些粒子完全分離前，如果他們被困在太陽能材料中，則會(huì)降低材料將光轉(zhuǎn)換為電能的效率。
美國能源部（DOE）阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們發(fā)表了一項(xiàng)新的研究，該研究確定了空穴在納米ZnO顆粒所捕獲的過程。這是一種對太陽能應(yīng)用具有潛在效益的材料，因?yàn)樗樟俗贤饩€。
“如果你正在制造太陽能電池，你想避免空穴捕獲；但是如果你制造的是光催化劑，你想把它們困住。”—瑞士Paul Scherrer研究所的X射線科學(xué)家Christopher Milne。
使用阿貢高級光子源（APS）產(chǎn)生的X射線，研究人員能夠看到納米粒子特定區(qū)域的空穴捕獲過程。這標(biāo)志著一個(gè)明顯的進(jìn)步，因?yàn)橐郧暗膶?shí)驗(yàn)只是能夠檢測電子的遷移和俘獲，而不是針對空穴。
該研究的作者Stephen Southworth認(rèn)為，一些人認(rèn)為ZnO可能是替代TiO2的最佳選擇，而TiO2是最常用的光伏材料。他說，理解空穴捕獲行為對于評估太陽能應(yīng)用材料的可行性是十分必要的。
雖然空穴捕獲損害了光伏器件的性能，但它可以提高ZnO作為光催化劑的能力，因?yàn)榇鎯?chǔ)在材料陷阱中的正電荷可以作為化學(xué)反應(yīng)的參與者。
“如果你正在制造一個(gè)太陽能電池，你就想避免空穴捕獲；但如果你正在制作一種光催化劑，你就會(huì)想要捕捉它們。”瑞士保羅謝勒研究所的X射線科學(xué)家Christopher Milne說。“無論如何，理解這些原子是如何被捕捉到、多久被捕捉到，對于將光轉(zhuǎn)換成可用能量的功能材料來說，這都是非常重要的。”
研究人員確定，這些空穴被困在“氧氣空位”中，即晶格中缺少氧原子的地方。Milne說，ZnO有一種晶體結(jié)構(gòu)，可讓它有許多這樣的空穴。由于空穴能量水平比周圍環(huán)境低，所以會(huì)發(fā)生誘捕現(xiàn)象，從而形成了一個(gè)能通過空穴的能量裂縫。
為了進(jìn)行測量，研究人員結(jié)合了兩種不同的X射線技術(shù)：X射線吸收光譜和共振X射線發(fā)射光譜。該研究在APS裝置上使用7ID-D光束，阿貢X射線物理學(xué)家同時(shí)也是這項(xiàng)研究的作者之一—Gilles Doumy說，“利用我們在APS上的設(shè)置同時(shí)結(jié)合這些技術(shù)，可以給我們呈現(xiàn)出一張顯示原子幾何和材料的電子結(jié)構(gòu)圖像。”
Milne說道，“APS是世界上唯一可以做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的地方。這是一次卓有成效的合作。”APS是美國能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室。
研究人員表示，未來對該系統(tǒng)的研究將會(huì)受益于能夠?qū)Σ东@行為進(jìn)行極快拍攝。這樣的實(shí)驗(yàn)可以在X射線自由電子激光設(shè)備上進(jìn)行，比如SLAC的Linac相干光源，也可以是在美國能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室。
Southworth說:“從本質(zhì)上說，我們希望看到同樣的過程，但我們有能力更快地拍攝圖像。”
Doumy補(bǔ)充道，“材料的功能總是要依賴于過程早期行為對之后以及更長時(shí)間行為的影響。我們需要兩者圖像才能進(jìn)行充分理解。”
2月2日，基于此研究，在《Nature Communications》雜志上刊登了一篇題為“通過時(shí)間分辨X射線光譜來揭示納米ZnO粒子的空穴捕獲過程”的文章。
文章來自phys.org
