用氘代替氫可以使甲基安更重，並減緩其搖擺，這樣它就可以與振動相互作用，消除熱量，使載流子熱得更久。來源:吉爾·海曼/美國能源部ORNL
由能源部的橡樹嶺國家實驗室和田納西大學諾克斯維爾分校領導的一項研究顯示了一種具有光明前景的太陽能材料揭示了一種減緩聲子的方法。聲子是一種傳輸熱量的波。這一發現可以改進新型熱載體太陽能電池，這種電池通過在能量轉化為熱能之前利用光產生的電荷載體，比傳統太陽能電池更有效地將太陽光轉化為電能。
「我們證明了熱輸運和荷載冷卻時間可以通過改變光伏材料中氫原子的質量來控制，」ORNL的Michael Manley說。「這條延長載流子壽命的路線為新型熱載流子太陽能電池實現創紀錄的太陽能到電能轉換效率提供了新的策略。」
UT的Mahshid Ahmadi指出:「調整有機分子動力學可以控制對有機金屬鈣鈦礦熱導率很重要的聲子。「這些半導體材料在光伏應用中很有前景。
曼利和艾哈邁迪設計並管理了這項研究，並發表在《科學進展》上。研究材料合成、中子散射、雷射光譜和凝聚態理論的專家們發現了一種抑制浪費電荷冷卻的方法，方法是將有機金屬鈣鈦礦中較輕的同位素替換為較重的同位素。
當陽光照射到太陽能電池上時，光子會在吸收材料中產生電荷載體——電子和空穴。熱載體太陽能電池能迅速地將載流子的能量轉化為電能，然後以廢熱的形式損失掉。對這些太陽能電池來說，防止熱量散失是一個巨大的挑戰，因為它們的效率有可能是傳統太陽能電池的兩倍。
傳統鈣鈦礦太陽能電池的轉換效率已經從2009年的3%提高到2020年的25%以上。設計良好的熱載體裝置可以實現接近66%的理論轉換效率。
研究人員研究了甲基碘化鉛，一種鈣鈦礦吸收材料。在它的晶格中，原子的集體激發產生振動。同步運動的振動是聲子，而不同步運動的振動是光學聲子。
ORNL的合著者Raphael Hermann解釋說:「通常，載流子首先會把熱量輸給光聲子，光聲子比聲聲子傳播得慢。」「之後，光聲子與帶走這種能量的聲聲子相互作用。」
然而，在一個被稱為「熱聲子瓶頸」的區域，奇異的物理學阻止了電子失去它們的能量而產生傳遞熱的集體振動。為了增強光電鈣鈦礦的這種效果，研究人員使用慣性，即物體在靜止或移動時保持其運動狀態的趨勢。
赫爾曼說:「我們基本上降低了分子的搖擺速度，就像一個旋轉的滑冰運動員在手裡放重物來減慢她的速度一樣。」
為了在有序的原子晶格中做到這一點，Ahmadi和ORNL的Kunlun Hong在ORNL的美國能源部科學用戶設施的納米相材料科學中心領導了甲基銨碘化鉛晶體的合成。他們在鈣鈦礦的中心有機分子甲基銨(methylamium, MA)中，取代了氫的較輕同位素，通常是沒有中子的質子(protium)，取代了有一個中子的較重同位素氘(氘)。同位素是化學性質相同的原子，只是由於中子數的不同而在質量上有所不同。
接下來，Manley和Hermann與ORNL的Songxue Chi在高通量同位素反應堆(ORNL的美國能源部科學用戶設施辦公室)進行了三軸中子散射實驗，以繪製質子化和氘化晶體中的聲子色散。由於他們發現自己的測量結果與已發表的非彈性x射線測量數據不一致，他們在散裂中子源(ORNL的另一個能源部科學用戶設施辦公室)進行了額外的測量。在那裡，ORNL的Luke Daemen使用視覺振動譜儀揭示了所有可能的振動能量。綜合結果表明，短波長的縱向聲模在氘化樣品中傳播較慢，表明熱導率可能降低。
ORNL的Hsin Wang進行了熱擴散率的測量，以研究熱在晶體中的移動。曼利說:「這些測量結果告訴我們，氘化使本來就很低的熱導率降低了50%。」「我們當時意識到，這一發現可能會影響太陽能設備的建造者所關心的事情——特別是保持載流子的熱度。」
這項研究為原子質量增加對傳熱的影響提供了前所未有的理解。
「很多振動，比如氫原子的伸縮模式，都有很高的頻率，所以它們通常不會與晶體的低能量振動相互作用，」Daemen說。低能模式包括分子的搖擺。
有機分子MA的擺動頻率略高於集體振動的頻率。然而，當氘原子取代較輕的氫同位素時，其較大的質量減緩了MA的搖擺。它以接近集體振動的頻率擺動，兩者開始相互作用，然後強烈地結合。同步的聲子速度變慢，散熱的效率降低。
赫爾曼將頻率的影響與男孩在父親推鞦韆時的不同動作進行了比較。「這種情況下，就像男孩移動腿的速度太快，無法與父親的推保持同步。他不會再往上走了。但如果它開始移動腿的頻率與擺動的頻率相同，這就像氘化的情況。孩子放慢了他的腿，這樣他就可以開始與推蕩同步，增加動力。他之所以能揮桿得更高，是因為這兩個動作是耦合的。」
ORNL的測量結果顯示了一種遠遠超過改變氫質量預期的效應:氘化大大減緩了熱傳輸，使得荷載冷卻時間增加了一倍。
為了證實這一發現，ORNL的合著者華成雲使用泵浦探針雷射實驗來測量氘化和質子化鈣鈦礦中電子在千萬億分之一秒的時間尺度上的能量耗散。
「這些測量證實了重同位素導致的聲子和熱導率的巨大變化轉化為光激發電子的較慢的弛豫時間，」華說。「這是改善光電特性的一個重要因素。」
加州大學伯克利分校的姚才和馬克·阿斯塔(他也在美國能源部的勞倫斯·伯克利國家實驗室工作)進行了基於理論的計算，以深入了解聲子行為的複雜性。
由ornl - ut領導的這項研究的發現可能為未來的熱載體太陽能電池製造商提供一個亮點。
「聲子看起來像一個非常有效的旋鈕，而我們知道如何轉動這個旋鈕，」曼利說。「當你想改進材料時，你可以添加一種分子，甲基銨或其他東西。這一發現可以幫助開發人員決定如何種植晶體。」
Ahmadi補充說:「這種知識可以用來指導材料設計，用於光伏以外的應用，如光學傳感器和通信設備。」
論文的題目是「巨大同位素對甲基碘化鉛中的聲子彌散和熱導率的影響」。