Kristal Memutar, Selang Kunci untuk Sel Surya Canggih Baru

Kontributor utama bagaimana halida perovskit ini membuat dan mengangkut listrik secara harfiah bergantung pada cara kisi atom oktahedron mereka berputar dan berputar dengan cara yang mirip dengan engsel. Kredit: ORNL / Jill Hemman

Para peneliti menunjukkan bagaimana bentuk dan pergerakan halida perovskit menciptakan sifat energi terbarukan yang diinginkan.

Para peneliti di Duke University telah mengungkapkan dinamika molekuler yang lama tersembunyi yang memberikan sifat yang diinginkan untuk aplikasi energi matahari dan panas ke kelas material menarik yang disebut perovskit halida.

Kontributor utama tentang bagaimana bahan-bahan ini membuat dan mengangkut listrik secara harfiah bergantung pada bagaimana kisi atomnya berputar dan berputar dengan cara yang mirip dengan engsel. Hasilnya membantu para ilmuwan material dalam penelitian mereka untuk mengadaptasi resep kimia dari bahan-bahan ini untuk berbagai aplikasi dengan cara yang ramah lingkungan.

Hasilnya muncul online hari ini (15 Maret 2021) di jurnal Bahan Alam.

“Ada minat luas pada perovskit halida untuk aplikasi energi seperti fotovoltaik, termoelektrik, deteksi radiasi dan emisi optoelektronik – seluruh bidang sangat aktif,” kata Olivier Delaire, profesor teknik mesin dan sains. Material di Duke. “Meskipun kami memahami bahwa kelembutan bahan-bahan ini penting untuk sifat elektroniknya, tidak ada yang benar-benar tahu bagaimana gerakan atom yang kami temukan mendukung karakteristik ini.”

Perovskit adalah kelas material yang – dengan kombinasi elemen yang tepat – ditanam dalam struktur kristal yang membuatnya sangat cocok untuk aplikasi energi. Kemampuannya untuk menyerap cahaya dan mentransfer energinya secara efisien menjadikannya tujuan umum bagi para peneliti yang mengembangkan jenis sel surya baru, misalnya. Mereka juga lembut, semacam bagaimana emas padat dapat dengan mudah disembunyikan, yang memberi mereka kemampuan untuk mentolerir cacat dan menghindari retak saat diubah menjadi film tipis.

Namun, satu ukuran tidak cocok untuk semua orang, karena ada berbagai macam resep potensial yang dapat membentuk perovskit. Banyak resep paling sederhana dan paling banyak dipelajari termasuk halogen – seperti klorin, fluor, atau brom – yang memberinya nama perovskit halida. Dalam struktur kristal perovskit, halida ini adalah bahan yang menyerang bersama-sama motif kristal oktahedral.

Sementara para peneliti telah mengetahui titik-titik pivot ini penting untuk menciptakan sifat-sifat perovskit, belum ada yang mampu menjaga cara mereka membiarkan struktur di sekitarnya berputar, berputar, dan menekuk secara dinamis tanpa putus, seperti cetakan Jell-O yang dikocok dengan kuat.

“Gerakan struktural ini sangat sulit untuk ditentukan secara eksperimental.” Teknik pilihannya adalah hamburan neutron, yang hadir dengan alat yang sangat besar dan upaya analisis data, dan sangat sedikit kelompok yang memiliki kepemimpinan atas teknik yang dilakukan Olivier dan rekan-rekannya, ”kata Volker Blum, profesor teknik mesin dan ilmu material di Duke yang melakukan pemodelan teoritis perovskit, tetapi tidak terlibat dalam penelitian ini. “Ini berarti mereka berada dalam posisi untuk mengungkapkan dasar dari sifat-sifat bahan dalam perovskit dasar yang jika tidak, saya tidak akan datang.”

Dalam studi tersebut, Delaire dan rekannya dari Argonne National Laboratory, Oak Ridge National Laboratory, National Institute of Science and Technology, dan Universitas Northwestern, mengungkapkan dinamika molekul penting dari perovskitis alogenik yang secara struktural sederhana, umum diteliti (CsPbBr3) untuk pertama kalinya.

Para peneliti telah memulai dengan kristal perovskite halide berskala satu sentimeter yang sangat besar, yang terkenal sulit untuk tumbuh ke dimensi seperti itu – alasan utama mengapa jenis studi dinamis ini belum pernah dilakukan sebelumnya. Mereka kemudian menghalangi kristal dengan neutron di Laboratorium Nasional Oak Ridge dan sinar-X di Laboratorium Nasional Argonne. Dengan mengukur bagaimana neutron dan sinar-X memantul dari kristal pada banyak sudut dan interval waktu yang berbeda, para peneliti melihat bagaimana atom penyusunnya bergerak dari waktu ke waktu.

Setelah mengonfirmasi interpretasi mereka terhadap pengukuran dengan simulasi komputer, para peneliti menemukan seberapa aktif kisi kristal tersebut. Motif oktahedral delapan sisi yang dilekatkan satu sama lain melalui atom bromin ditangkap yang diputar secara kolektif dalam domain seperti pelat dan mereka terus menerus melengkung ke depan dan ke belakang dengan cara yang sangat cair.

“Karena cara atom disusun dengan motif oktahedral yang membagi atom brom seperti sambungan, mereka bebas memiliki rotasi dan kelengkungan ini,” kata Delaire. “Tapi kami menemukan bahwa halogen perovskit ini lebih ‘terkelupas’ daripada resep lainnya. Alih-alih segera kembali ke bentuk semula, mereka kembali dengan sangat lambat, hampir seperti Jell-O atau cairan daripada kristal padat konvensional. “

Delaire menjelaskan bahwa tarian molekuler berjiwa bebas ini penting untuk memahami beberapa sifat yang diinginkan dari perovskit terhalogenasi. “Kekurangan” nya mencegah elektron bergabung kembali di dalam lubang dari foton masuk yang memancarkannya, yang membantu mereka menarik banyak listrik dari matahari. Dan mungkin juga menyulitkan energi panas untuk bergerak melalui struktur kristal, yang memungkinkannya menghasilkan listrik dari panas yang salah satu sisi materialnya jauh lebih panas daripada sisi lainnya.

Karena perovskit yang digunakan dalam penelitian ini – CsPbBr3 – memiliki salah satu resep paling sederhana, namun sudah berisi fitur struktural yang umum pada keluarga besar senyawa ini, Delaire yakin temuan ini kemungkinan berlaku untuk berbagai alovida perovskit. Misalnya, sebutkan perovskit hibrida anorganik-organik (HOIP), yang memiliki resep jauh lebih kompleks, serta varian perovskit bebas timbal ganda yang lebih ramah lingkungan.

“Studi ini menunjukkan mengapa pola perovskit ini istimewa bahkan dalam kasus yang paling sederhana,” kata Delaire. “Temuan ini mungkin meluas ke resep yang jauh lebih kompleks, yang dicari banyak ilmuwan di seluruh dunia. Saat memeriksa database komputasi yang sangat besar, dinamika yang kami temukan dapat membantu memutuskan perovskit mana yang akan dikejar.”

Referensi: “Fluktuasi Overdamped Dua Dimensi Jaringan Perovskit Lunak di CsPbBr3” oleh T. Lanigan-Atkinsy, X. Hei, MJ Krogstad, DM Pajerowski, DL Abernathy, Guangyong NMN Xu, Zhijun Xu, 4 D.-Y. Chung, MG Kanatzidis, S. Rosenkranz, R. Osborn dan O. Delaire, 15 Maret 2021, Bahan Alam.
DOI: 10.1038 / s41563-021-00947-y

Penelitian ini didukung oleh Departemen Energi (DE-SC0019299, DE-SC0019978, DE-AC02-05CH11231).

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Teori konspirasi memengaruhi perilaku kita – bahkan jika kita tidak mempercayainya!

Paling tidak karena COVID-19 pandemi, teori konspirasi lebih relevan dari sebelumnya. Mereka diberitakan dan didiskusikan di hampir semua media dan komunikasi. Tapi...

“Doodle Ringan” Nyata dalam Waktu Nyata

Para peneliti di Tokyo Metropolitan University telah merancang dan menerapkan algoritme yang disederhanakan untuk mengubah garis yang digambar secara bebas menjadi hologram pada CPU...

Teleskop Webb NASA menyertakan tabir surya seukuran lapangan tenis untuk perjalanan jutaan kilometer

Kedua wajah tabir surya James Webb Space Telescope dinaikkan secara vertikal untuk mempersiapkan pelipatan lapisan tabir surya. Kredit: NASA / Chris Gunn Insinyur bekerja...

Mineralogi Hangat Global Mengelola Pusat Perlindungan Kehidupan Batin

Tim lapangan DeMMO dari kiri ke kanan: Lily Momper, Brittany Kruger, dan Caitlin Casar mengambil sampel air yang meledak dari toilet DeMMO. Pendanaan:...

Genom manusia modern tertua, direkonstruksi menggunakan DNA tengkorak berusia 45 tahun

Tengkorak dari Gua Zlatyk dekat Praha ini adalah milik orang modern paling awal yang diketahui di Eropa. Penulis: Marek Jantach Tengkorak fosil seorang wanita...

Newsletter

Subscribe to stay updated.