在频闪仪下扭曲：用太赫兹光控制混合太阳能电池材料的晶格

为了克服全球能源挑战并应对迫在眉睫的环境危机，世界各地的研究人员都在研究将阳光转化为电能的新材料。高效低成本太阳能电池应用的一些最有前途的候选者是基于卤化铅钙钛矿(LHP)半导体。

尽管太阳能电池原型破纪录，但这种材料类别令人惊讶的出色光电性能的微观起源仍未完全了解。现在，来自马克斯·普朗克学会弗里茨·哈伯研究所、巴黎综合理工学院、纽约哥伦比亚大学和柏林自由大学的物理学家和化学家组成的国际团队展示了激光驱动对LHP原子晶格基本运动的控制。

通过以远红外太赫兹辐射的单个光周期的形式施加超过万亿分之一秒(皮秒)的突然电场尖峰，研究人员揭示了超快晶格响应，这可能有助于电荷的动态保护机制。这种对原子扭曲运动的精确控制将允许创造新的非平衡材料特性，可能为设计未来的太阳能电池材料提供提示。

所研究的杂化LHP太阳能电池材料由无机晶格组成，其充当承载有机分子的周期性笼。自由电子电荷与这种混合晶格及其杂质的相互作用决定了可以从太阳光的能量中提取多少电。

了解这种复杂的相互作用可能是微观理解LHP出色光电性能的关键。 柏林弗里茨哈伯研究所的研究人员及其国际同事现在已经能够在超过100飞秒的时间尺度上隔离晶格对电场的响应，即万亿分之一秒的十分之一。

电场是由强激光脉冲施加的，该脉冲仅包含单个远红外光周期，即所谓的太赫兹(THz)光。“这个太赫兹场是如此强大和如此之快，以至于它可以在吸收大量阳光后立即模仿激发电荷载流子的局部电场，”进行实验的主要作者之一Maximilian Frenzel解释说。

通过这种方法，研究人员观察到晶格的协同运动，主要包括无机笼的八面体构建块的来回倾斜。这些非线性激发的振动会导致(迄今为止被忽视的)高阶屏蔽效应，从而有助于经常讨论的电荷载流子保护机制。

“此外，相关的倾斜角度在确定基本材料特性方面起着主导作用，例如晶体相或电子带隙，”国际研究项目负责人Sebastian Maehrlein博士澄清道。因此，超快动态材料设计不再是对材料特性的静态化学调整：“由于我们现在可以通过单个太赫兹光周期来调节这些扭曲角度，”Maehrlein博士总结道，“将来我们可能能够根据需要控制材料特性，甚至发现这种新兴材料类别的新颖奇异状态。

通过评估物质的这种动态状态，研究人员希望为设计未来的能源材料提供一些提示。

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