美国的研究对原子质量增加对热传递的影响提供了新的认识

由能源部的橡树岭国家实验室和田纳西大学诺克斯维尔分校领导的对钙钛矿太阳能电池的研究揭示了一种减缓声子(传热波)的方法。该发现可以改善热载流太阳能电池，通过在光生电荷载流子失去能量来加热之前利用光生电荷载流子，可以比传统太阳能电池更有效地将阳光转化为电能。

ORNL的迈克尔·曼利说：“我们证明，可以通过改变光伏材料中氢原子的质量来控制热传输和载流子冷却时间。” “这种延长??电荷载流子寿命的途径为在新型热载流子太阳能电池中实现创纪录的太阳能转换效率提供了新的策略。”

UT的Mahshid Ahmadi指出：“调整有机分子的动力学特性可以控制对有机金属钙钛矿中导热性很重要的声子。” 这些半导体材料有望用于光伏应用。

曼利(Manley)和艾哈迈迪(Ahmadi)设计并管理了这项研究，该研究发表在《科学进展》上，该研究涉及将较轻的同位素换成有机金属钙钛矿中的较重同位素。

当阳光照射到太阳能电池上时，光子会在吸收材料中产生电荷载体-电子和空穴。热载流子太阳能电池可将载流子的能量迅速转换为电能，然后再以废热的形式损失掉。对于这些太阳能电池而言，防止热量损失是一个巨大的挑战，这些太阳能电池的效率是传统太阳能电池的两倍。

常规钙钛矿太阳能电池的转换效率从2009年的3%提高到2020年的25%以上。设计良好的热载流子器件理论上的转换效率可达到66%。

研究人员研究了钙钛矿吸收剂材料甲基铵碘化铅。在其晶格中，原子的集体激发会产生振动。彼此同步运动的振动是声子，而不同步运动的是光学声子。

ORNL的合著者拉斐尔·赫尔曼(Raphael Hermann)解释说：“通常，载流子首先将热量转移给光子，而声子的传播要比声子慢。” “后来，光学声子与带走这种能量的声子相互作用。”

但是，在一个称为“热声子瓶颈”的区域，物理学可以防止电子因传递热量的集体振动而失去能量。为了增强光伏钙钛矿中的这种效果，研究人员使用了惯性。赫尔曼说：“我们基本上放慢了分子摇摆的速度，这类似于通过在她的手上加重来减慢旋转的溜冰者的速度。”

艾哈迈迪(Ahmadi)和ORNL的昆仑·洪(Kunlun Hong)在ORNL的DOE科学用户机构纳米相材料科学中心领导了甲基铵碘化铅晶体的合成。他们在钙钛矿的中心有机分子，甲基铵或MA中用较轻的氢同位素(通常不存在中子的pro)替换为较重的氢，而氘具有一个中子。

接下来，Manley和Hermann与ORNL的Songxue Chi一起在ORNL美国科学部办公室高通量同位素反应堆上进行了三轴中子散射实验，以绘制声子在质子化和氘代晶体中的扩散。由于他们发现测量值与非弹性X射线测量结果之间存在分歧，因此他们在ORNL另一DOE科学用户设施办公室Spallation Neutron Source进行了额外测量。在那里，ORNL的Luke Daemen使用VISION振动光谱仪揭示了所有可能的振动能量。组合结果表明，短波的纵向声学模式在氘代样品中传播的速度较慢，表明导热系数可能降低。

ORNL的Hsin Wang执行了热扩散率测量，以研究热量如何在晶体中移动。“这些测量告诉我们，氘化使本来就很低的导热系数降低了50%，” Manley说。“然后我们意识到也许这一发现会影响太阳能设备制造商关心的事情-特别是使载流子保持高温。”

对原子量增加对热传递的影响的新认识

戴门说：“许多振动，如氢原子的拉伸模式，具有如此高的频率，以至于它们通常不会与晶体的低能振动相互作用。” 较低能量的模式包括分子的摇摆。

有机分子MA的摇摆频率略高于集体振动的频率。但是，当氘原子代替较轻的氢同位素时，其较大的质量会减慢MA的摇摆。它以接近集体振动的频率摇摆，并且两者开始相互作用，然后强烈耦合。同步声子变慢，除热效果降低。

赫尔曼将频率的影响与男孩父亲推他在秋千上的不同行为进行了比较。“质子化的情况就像男孩移动腿太快以至于不能与父亲的推动同步。他不会走得更高。但是，如果他开始以与摆动相同的频率开始移动腿，那就像是氘的情况。孩子已经放慢了脚步，使他开始与被推动的挥杆保持同步，增加了动力。由于两个动作是相互关联的，所以他能够挥杆更高。

ORNL的测量表明，其影响远远超出了改变氢质量的预期：氘化使传热速度大大降低，以至于载流子冷却时间增加了一倍。

为了证实这一发现，ORNL的合著者华澄云(Chengyun Hua)使用泵浦探针激光实验测量了氘和质子化钙钛矿中电子在很小的时间尺度上(四分之一秒)的能量耗散。

华说：“这些测量结果证实，重同位素诱导的声子和热导率的巨大变化转化为光激发电子的弛豫时间变慢。” “这是改善光伏性能的重要因素。”

加州大学伯克利分校的合著者姚彩和马克·阿斯塔(也是美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室的成员)进行了基于理论的计算，以深入了解声子行为的复杂性。

ORNL-UT领导的研究中的发现可能为热载太阳能电池的未来制造商提供亮点。

曼利说：“警铃看起来像一个很有效的旋钮，我们知道如何旋转旋钮。” “当您要改进材料时，可以添加分子，甲基铵或其他东西。这一发现可以为开发人员决定如何生长晶体提供信息。”

Ahmadi补充说：“这些知识可用于指导材料设计，以用于光伏以外的应用，例如光学传感器和通信设备。”