太陽在一小時內提供給地球的能量比人類一整年消耗的還要多。世界各地的科學家們正在尋找能夠經濟有效地捕獲這種無碳能源并將其轉化為電能的材料。

過氧化物，一類具有獨特晶體結構的材料，可以超越目前的太陽能收集技術。它們比目前的太陽能電池所使用的材料更便宜，而且它們已經顯示出顯著的光伏特性--這種行為使它們能夠非常有效地將太陽光轉化為電能。

揭示過氧化物在原子尺度上的性質對于理解其有前途的能力至關重要。這種洞察力可以幫助為模型提供信息，以確定用于太陽能電池的過氧化物材料的最佳構成，這可用于為車輛、電子設備、甚至家庭加熱和其他電器提供動力。

美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室的科學家們參加了由杜克大學領導的一項合作，與DOE的橡樹嶺國家實驗室和其他合作者一起，利用阿貢的X射線散射能力和橡樹嶺的中子散射能力，研究了一種過氧化物材料的內部運作。散射能力使科學家們能夠在原子尺度上觀察該材料的行為，該研究顯示，過氧化物中類似液體的運動可能解釋了它們如何有效地產生電流。

這項研究的首席科學家、杜克大學的OlivierDelaire說："圍繞這些材料有很多興奮點，但我們并不完全了解它們為什么是如此好的光伏材料。"

當光線照射到光伏材料上時，它會激發電子，促使它們從原子中跳出來，穿過材料，進行導電。一個常見的問題是，受激電子可以與原子重新結合，而不是穿過材料，這可能會大大降低相對于照射到材料上的陽光量所產生的電力。

阿貢的RayOsborn說："過氧化物在防止重組方面做得很好。我們想知道是什么機制造成的，以及我們是否可以從中學習，以創造更好的太陽能電池。"

該團隊研究了最簡單的過氧化物之一--銫、鉛和溴的化合物（CsPbBr3），以弄清在原子尺度上發生了什么。

實驗中使用的CsPbBr3過氧化物晶體。阿貢材料科學部和西北大學的研究人員培育出了中子測量所需的大型、厘米級晶體。

利用阿貢磁性材料小組在該實驗室高級光子源（DOE科學辦公室用戶設施）的光束線（6-ID-D）上的X射線散射能力，該小組捕獲了不同溫度下過氧化物晶體中原子的平均位置。他們發現，每個鉛原子及其周圍的溴原子籠形成的剛性單元表現得像分子。這些單元以一種類似液體的方式來回擺動--或者說來回抖動。

德萊爾說："這種材料中的分子圍繞其他分子旋轉，就像它們被鉸鏈連接在一起，而在鉸鏈周圍，分子表現得有點軟弱。"

解釋過氧化物如何抵制重組的一個理論是，晶格或晶體結構的這些扭曲在自由電子穿越材料時跟隨它們。電子可能會使晶格變形，造成類似液體的擾動，然后阻止它們落回其宿主原子中。這一理論得到了新的實驗結果的支持，可以為如何設計太陽能電池的最佳過氧化物材料提供新的見解。

數據還表明，該材料中的分子在二維平面內擺動，沒有跨平面的運動--類似于一個只從左到右擺動，但從不從前到后擺動的狂歡節游樂設施。晶體扭曲的二維性質可能是解釋過氧化物如何能夠防止電子重組的又一個難題，有助于提高材料的效率。

用阿貢高級光子源的X射線（上半部）和橡樹嶺的輻照中子源的中子測量的漫散射數據。二維波動隨著溫度從60℃（左）提高到160℃（右）而增長。

據Osborn說，X射線散射數據中的二維模式從未被看到過。他說："基于這些出乎意料的測量結果，我們想通過不僅觀察平均原子位置，而且觀察原子如何實時移動來更深入地挖掘。”

為了直接研究原子的運動，研究小組使用了輻照中子源的中子散射能力，這是美國能源部科學辦公室在橡樹嶺國家實驗室的一個用戶設施。阿貢材料科學部和西北大學的研究人員生長了中子測量所需的大型厘米級晶體。

中子散射證實了在X射線散射實驗中看到的未預見到的模式，但也表明，分子在兩個維度上振蕩幾乎不需要任何能量。這有助于解釋為什么受激電子可以如此容易地使晶格變形。

參與這兩組測量的Osborn說："這項工作是中子和X射線在揭示復雜材料的結構和動力學方面的互補性的一個完美例子。"

這項研究代表著向充分利用來自太陽的基本未開發的可再生能源邁出了一步，這可能對環境和經濟產生重大影響。