在频闪仪下的扭动： 用太赫兹光控制混合太阳能电池材料的晶体格子
发布时间：2023-05-26 08:00:00 阅读数： 16
强烈的太赫兹激光（红色）的单一周期迅速扭曲了有机-无机混合太阳能电池材料的原子晶格。由此产生的卤化铅晶格的超速晃动通过使用可见激光脉冲（绿色）的频闪快照进行追踪。观察到的晶格反应为保护电荷的微观机制提供了新的见解，并为超速控制该材料的光电特性铺平了道路。信用: Maximilian Frenzel, FHI
为了克服全球能源挑战和对抗迫在眉睫的环境危机，世界各地的研究人员正在研究将太阳光转化为电能的新材料。一些最有希望的高效低成本太阳能电池应用的候选材料是基于卤化铅过氧化物（LHP）半导体。
尽管有破纪录的太阳能电池原型，但这一类材料令人惊讶的卓越光电性能的微观根源仍未被完全理解。现在，来自马克斯-普朗克协会弗里茨-哈伯研究所、巴黎综合理工学院、纽约哥伦比亚大学和柏林自由大学的一个国际物理学家和化学家团队证明了激光驱动对LHP原子晶格基本运动的控制。
通过以远红外太赫兹辐射的一个光周期的形式施加一个快于一万亿分之一秒（皮秒）的突然电场尖峰，研究人员揭示了超快的晶格反应，这可能有助于电荷的动态保护机制。这种对原子扭转运动的精确控制将允许创造新的非平衡材料特性，有可能为设计未来的太阳能电池材料提供提示。
所研究的混合LHP太阳能电池材料由无机晶格组成，它作为周期性笼子来承载有机分子。自由电子电荷与这种混合晶格及其杂质的相互作用决定了可以从太阳光的能量中提取多少电力。
了解这种复杂的相互作用可能是从微观上理解LHPs杰出光电性能的关键。来自柏林弗里茨-哈伯研究所的研究人员和他们的国际同事现在已经能够在快于100飞秒的时间尺度上分离出对电场的晶格反应，也就是一万亿分之一秒。
该电场是由一个强烈的激光脉冲施加的，该脉冲只包含一个单周期的远红外线，即所谓的太赫兹（THz）光。"执行实验的主要作者之一Maximilian Frenzel解释说："这个太赫兹场是如此之强和如此之快，以至于它可以模仿一个受激电荷载体在吸收太阳光量子后立即形成的局部电场。
通过这种方法，研究人员观察到晶格的协同运动，主要包括无机笼的八面体构建块的前后倾斜。这些非线性激发的振动可以导致--迄今为止被忽视的--高阶筛选效应，为经常讨论的电荷载体保护机制作出贡献。
"此外，相关的倾角在决定基本材料属性方面起着主导作用，如结晶相或电子带隙，"国际研究项目的负责人塞巴斯蒂安-迈尔林博士澄清说。因此，取代了静态的材料特性的化学调控，超快的动态材料设计开始出现： "Maehrlein博士总结说："由于我们现在可以通过单一的太赫兹光周期来调控这些扭曲角，"未来我们可能能够按需控制材料特性，甚至发现这类新兴材料的新异状态。
通过评估这种动态的物质状态，研究人员希望能够为设计未来的能源材料提供一些提示。
该研究发表在《科学进展》杂志上。
参考资料：Maximilian Frenzel et al, Nonlinear terahertz control of the lead halide perovskite lattice, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg3856
