極化子：極有希望的下一代能源材料粒子

極化子（polaron）為極性晶體和離子晶體中導帶的電子和與其結伴而行的晶格畸變的複合體，在材料的原子晶格中短暫地扭曲，這些畸變在移動的電子周圍以幾萬億分之一秒的速度形成，然後迅速消失。它們雖然短暫，但它們影響材料的行為，甚至可能是用鉛鈣鈦礦製成的太陽能電池在實驗室中獲得極高效率的原因。

斯坦福大學和SLAC國家加速器實驗室的科學家首次使用該實驗室的X射線激光觀察和直接測量了極化子的形成，該最新研究發表在今天的《自然-材料》上。

研究人員表示：“由於這些材料的高效率和低成本，它們已經席捲了太陽能研究領域，但人們仍在爭論它們為什麼起作用。” “極化子可能參與其中的想法已經存在了很多年。” “但是我們的實驗是第一個直接觀察這些局部畸變的形成的過程，包括它們的大小、形狀以及它們如何演化。”

鈣鈦礦是晶體材料，以具有相同原子結構的鈣鈦礦礦物命名。大約十年前，科學家開始將它們整合到太陽能電池中，儘管這些鈣鈦礦成分具有許多應抑制電流流動的缺陷，但將太陽能轉化為能量的效率卻一直穩步提高。

研究人員説，這些材料非常複雜且難以理解。儘管科學家們發現它們令人興奮，因為它們既高效又易於製造，從而使它們可以使太陽能電池比當今的硅電池便宜，但它們也高度不穩定，在暴露於空氣中時會分解幷包含必須保留的鉛脱離環境。

先前的研究已經使用“電子照相機”或X射線束研究了鈣鈦礦的性質。該研究團隊揭示了光在鈣鈦礦中旋轉着原子，並且他們還測量了通過材料傳遞熱量的聲子（聲波）的壽命。

如下圖所示，極化子消除了材料原子晶格中的畸變，在有前途的下一代能源材料鉛雜鈣鈦礦中。科學家首次觀察到這些畸變的“氣泡”如何在電荷載子周圍形成，電荷載子是由光脈衝釋放的電子和空穴，在此處顯示為亮點。這個過程可能有助於解釋為什麼電子在這些材料中如此高效地傳播，從而導致高太陽能電池性能。

研究團隊使用了Linac相干光源（LCLS），這是一種功能強大的X射線自由電子激光器，可以對接近原子的細節成像，並捕獲在十億分之一秒的百萬分之一中發生的原子運動，研究了斯坦福大學所合成的材料的單晶。

他們用來自光學激光的光撞擊材料的一小塊樣品，然後使用X射線激光觀察材料在數十萬億分之一秒內的響應方式。

研究人員説：“當您通過用光撞擊材料來給電荷充電時，就像太陽能電池中發生的事情一樣，電子被釋放，那些自由電子開始在材料周圍移動。”“很快，它們就被與它們一起傳播的某種局部畸變氣泡（極化子）包圍併吞沒了。” “有人爭論説，這種‘氣泡’可以保護電子免受材料中缺陷的散射，並有助於解釋為什麼它們如此高效地傳播到太陽能電池的觸點並以電的形式流出。”

固體和液體同時奇怪地結合在一起的鈣鈦礦混合晶格結構靈活而柔軟，這使極化子得以形成和生長。

觀察表明，極化現象的畸變開始很小，大約幾埃的大小，是固體中原子之間的間距，並迅速向各個方向向外擴展，達到約50億分之一米的直徑成倍增加。在數十皮秒或萬億分之一秒的過程中，這會在大約球形區域內將大約10層原子稍微向外推。

研究人員表示：“這種失真實際上很大，這是我們以前所不知道的。” “這完全出乎意料。”“雖然該實驗儘可能直接地表明這些物體確實存在，但並未顯示它們如何對太陽能電池的效率做出貢獻。我們還需要做更多的工作來了解這些過程如何影響這些材料性能。”