當(dāng)太陽(yáng)能電池吸收光子時(shí)，就會(huì)開始電子競(jìng)賽。兩個(gè)粒子 - 帶負(fù)電的電子和帶正電的“洞” - 如果它們完全分離就會(huì)發(fā)電。

然而，當(dāng)這些顆粒在它們能夠完全分離之前被捕獲在太陽(yáng)能材料中時(shí)，它會(huì)降低材料將光轉(zhuǎn)換成電能的能力。

美國(guó)能源部(DOE)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家發(fā)表了一項(xiàng)新研究，該研究確定了在氧化鋅制成的納米顆粒中捕獲空穴的過程，氧化鋅是一種對(duì)太陽(yáng)能應(yīng)用具有潛在興趣的材料，因?yàn)樗兆贤饩€。

利用Argonne先進(jìn)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)域的空穴陷阱。這代表著顯著的進(jìn)步，因?yàn)橄惹暗膶?shí)驗(yàn)?zāi)軌驒z測(cè)電子的遷移和捕獲而不是空穴。

據(jù)該研究的作者Stephen Southworth稱，有人認(rèn)為氧化鋅可能是二氧化鈦的替代品，二氧化鈦是最常用的光伏材料。他說，了解空穴捕獲行為對(duì)于評(píng)估太陽(yáng)能應(yīng)用中材料的可行性是必要的。

盡管空穴捕獲會(huì)損害光伏器件的性能，但它可以提高氧化鋅作為光催化劑的能力，因?yàn)榇鎯?chǔ)在材料內(nèi)的陷阱中的正電荷可以繼續(xù)作為化學(xué)反應(yīng)的參與者。

瑞士Paul Scherrer研究所的X射線科學(xué)家克里斯托弗·米爾恩說：“如果你正在制造一個(gè)太陽(yáng)能電池，你想避免陷阱;但是如果你正在制造一個(gè)光觸媒，那么你就想要捕獲它們。” 。“無論如何，了解這些原子如何被捕獲 - 以及持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間 - 對(duì)于制造將光能轉(zhuǎn)化為可用能量的功能性材料至關(guān)重要。”

研究人員確定這些空穴被困在“氧空位”中 - 晶格內(nèi)缺少氧原子的地方。米爾恩說，氧化鋅具有晶體結(jié)構(gòu)，使其具有許多這些空位。誘捕的發(fā)生是因?yàn)榭瘴坏哪芰克降陀谥車h(huán)境，為通過洞穴創(chuàng)造了一個(gè)充滿活力的裂縫。

為了進(jìn)行測(cè)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。“通過APS的設(shè)置，結(jié)合這些技術(shù)是獨(dú)一無二的，為我們提供了一個(gè)向我們展示原子幾何和材料電子結(jié)構(gòu)的視圖，”該研究的作者Argonne X射線物理學(xué)家Gilles Doumy說。 ，它使用了APS的7ID-D光束線。

“APS是世界上我們可以完成這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的唯一地方之一。這是一次非常富有成果的合作，”米爾恩說。APS是美國(guó)能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室。

研究人員表示，系統(tǒng)的未來研究可以從捕獲行為的快速快照的能力中受益。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，例如SLAC的Linac相干光源，也是DOE科學(xué)用戶設(shè)施辦公室。

“從本質(zhì)上講，我們希望看到相同的過程，但能夠快速拍攝圖像，”Southworth說。

“材料的功能總是依賴于過程中早期的行為如何影響后期和更長(zhǎng)時(shí)間的行為，”Doumy補(bǔ)充道??。“我們需要兩張照片才能全面了解。”