物質新狀態揭示鈣鈦礦太陽能電池秘密

據外媒報道,鈣鈦礦太陽能電池正在快速發展並吸引了科學家的興趣,他們不僅致力於提高性能而且想要更好地了解它們是如何提供如此難以置信的、不斷提高的效率。科學家們通過將他們的工具轉向鈣鈦礦晶體發現了代表一種全新物質狀態的意想不到的行為。
他們表示,這有助於推動先進太陽能電池和其他光學和電子設備的發展。

鈣鈦礦太陽能電池能在科學圈引起如此大的興趣的原因之一是,儘管鈣鈦礦太陽能電池的晶體結構存在缺陷,但它卻能提供相當優異的性能。雖然很多研究都在通過化學處理、分子膠甚至是少量辣椒化合物來修復這些缺陷以此來提高它們的效率,但事實仍是,這種材料是一種比它應有的效率高得多的半導體。

麥吉爾大學化學系副教授、資深作者Patanjali Kambhampati表示:“歷史上,人們一直使用大塊半導體作為完美的晶體。現在,突然之間,這種不完美的軟晶體開始在半導體應用中工作,從光伏到LED。這是我們研究的起點:有缺陷的東西怎麼可能以完美的方式工作?”

這項工作實際上是對之前研究的延續,之前的研究表明,鈣鈦礦可能看起來像固體物質,但它們實際上具有一些液體的特徵。這種二象性很大程度上歸因於原子晶格結構,當它遇到自由電子時就會變形,這種現象被稱為極化子形成現象。這就好比往蹦床中心扔一塊大石頭,蹦床會伸展和改變形狀。

物質新狀態揭示鈣鈦礦太陽能電池秘密

當石頭停止彈跳並靜置在其中心時,蹦床會逐漸消散這種能量,而鈣鈦礦晶體的變形原子晶格結構則相反。該團隊使用泵浦/探針光譜的形式研究了鈣鈦礦晶體的電子動力學、觀察了這一過程並最終驚訝地發現變形后能量總體出現增加。

科學家們指出,這是鈣鈦礦晶體表現得像量子點的結果,這種晶體本身已經顯示出改善太陽能電池技術的前景。這些微小的平面半導體晶體非常小,以至於它們以一種獨特的方式限制了電子的運動從而賦予了它們獨特的特性。

這種現象被叫做量子限制,以前只在幾納米大小的粒子中觀察到過。根據科學家們的說法,在鈣鈦礦晶體中發現了比這大得多的鈣鈦礦晶體,這意味着發現了一種新的物質狀態。

“極化子所做的是把一切都限制在一個空間明確的區域內,”Kambhampati說道,“我們小組能證明的一件事是極化子跟激子混合形成了看起來像量子點的東西。在某種意義上,它就像一個液體量子點,我們稱之為量子滴。我們希望對這些量子液滴行為的探索將有助於更好地理解如何設計出容錯光電材料。”