阿贡实验室研究人员帮助确定了在ZnO纳米粒子中空穴捕获过程。因为该过程吸收了紫外线，所以这种材料对太阳能应用具有一定的市场。来源：Christopher Milne

当太阳能电池吸收可见光光子时，便开始了一场与时间的电子竞赛。两个粒子即带负电荷的电子和带正电荷的“空穴”—如果它们完全分离，则会产生电。

但在这些粒子完全分离前，如果他们被困在太阳能材料中，则会降低材料将光转换为电能的效率。

美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的科学家们发表了一项新的研究，该研究确定了空穴在纳米ZnO颗粒所捕获的过程。这是一种对太阳能应用具有潜在效益的材料，因为它吸收了紫外线。

“如果你正在制造太阳能电池，你想避免空穴捕获；但是如果你制造的是光催化剂，你想把它们困住。”—瑞士Paul Scherrer研究所的X射线科学家Christopher Milne。

使用阿贡高级光子源（APS）产生的X射线，研究人员能够看到纳米粒子特定区域的空穴捕获过程。这标志着一个明显的进步，因为以前的实验只是能够检测电子的迁移和俘获，而不是针对空穴。

该研究的作者Stephen Southworth认为，一些人认为ZnO可能是替代TiO2的最佳选择，而TiO2是最常用的光伏材料。他说，理解空穴捕获行为对于评估太阳能应用材料的可行性是十分必要的。

虽然空穴捕获损害了光伏器件的性能，但它可以提高ZnO作为光催化剂的能力，因为存储在材料陷阱中的正电荷可以作为化学反应的参与者。

“如果你正在制造一个太阳能电池，你就想避免空穴捕获；但如果你正在制作一种光催化剂，你就会想要捕捉它们。”瑞士保罗谢勒研究所的X射线科学家Christopher Milne说。“无论如何，理解这些原子是如何被捕捉到、多久被捕捉到，对于将光转换成可用能量的功能材料来说，这都是非常重要的。”

研究人员确定，这些空穴被困在“氧气空位”中，即晶格中缺少氧原子的地方。Milne说，ZnO有一种晶体结构，可让它有许多这样的空穴。由于空穴能量水平比周围环境低，所以会发生诱捕现象，从而形成了一个能通过空穴的能量裂缝。

为了进行测量，研究人员结合了两种不同的X射线技术：X射线吸收光谱和共振X射线发射光谱。该研究在APS装置上使用7ID-D光束，阿贡X射线物理学家同时也是这项研究的作者之一—Gilles Doumy说，“利用我们在APS上的设置同时结合这些技术，可以给我们呈现出一张显示原子几何和材料的电子结构图像。”

Milne说道，“APS是世界上唯一可以做这个实验的地方。这是一次卓有成效的合作。”APS是美国能源部科学用户设施办公室。

研究人员表示，未来对该系统的研究将会受益于能够对捕获行为进行极快拍摄。这样的实验可以在X射线自由电子激光设备上进行，比如SLAC的Linac相干光源，也可以是在美国能源部科学用户设施办公室。

Southworth说:“从本质上说，我们希望看到同样的过程，但我们有能力更快地拍摄图像。”

Doumy补充道，“材料的功能总是要依赖于过程早期行为对之后以及更长时间行为的影响。我们需要两者图像才能进行充分理解。”

2月2日，基于此研究，在《Nature Communications》杂志上刊登了一篇题为“通过时间分辨X射线光谱来揭示纳米ZnO粒子的空穴捕获过程”的文章。

文章来自phys.org