這是一個陷阱！研究人員確定了ZnO納米粒子中的空穴捕獲過程

阿貢實驗室研究人員幫助確定了在ZnO納米粒子中空穴捕獲過程。因為該過程吸收了紫外線，所以這種材料對太陽能應用具有一定的市場。來源：Christopher Milne

當太陽能電池吸收可見光光子時，便開始了一場與時間的電子競賽。兩個粒子即帶負電荷的電子和帶正電荷的「空穴」—如果它們完全分離，則會產生電。

但在這些粒子完全分離前，如果他們被困在太陽能材料中，則會降低材料將光轉換為電能的效率。

美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室的科學家們發表了一項新的研究，該研究確定了空穴在納米ZnO顆粒所捕獲的過程。這是一種對太陽能應用具有潛在效益的材料，因為它吸收了紫外線。

「如果你正在製造太陽能電池，你想避免空穴捕獲；但是如果你製造的是光催化劑，你想把它們困住。」—瑞士Paul Scherrer研究所的X射線科學家Christopher Milne。

使用阿貢高級光子源（APS）產生的X射線，研究人員能夠看到納米粒子特定區域的空穴捕獲過程。這標誌著一個明顯的進步，因為以前的實驗只是能夠檢測電子的遷移和俘獲，而不是針對空穴。

該研究的作者Stephen Southworth認為，一些人認為ZnO可能是替代TiO2的最佳選擇，而TiO2是最常用的光伏材料。他說，理解空穴捕獲行為對於評估太陽能應用材料的可行性是十分必要的。

雖然空穴捕獲損害了光伏器件的性能，但它可以提高ZnO作為光催化劑的能力，因為存儲在材料陷阱中的正電荷可以作為化學反應的參與者。

「如果你正在製造一個太陽能電池，你就想避免空穴捕獲；但如果你正在製作一種光催化劑，你就會想要捕捉它們。」瑞士保羅謝勒研究所的X射線科學家Christopher Milne說。「無論如何，理解這些原子是如何被捕捉到、多久被捕捉到，對於將光轉換成可用能量的功能材料來說，這都是非常重要的。」

研究人員確定，這些空穴被困在「氧氣空位」中，即晶格中缺少氧原子的地方。Milne說，ZnO有一種晶體結構，可讓它有許多這樣的空穴。由於空穴能量水平比周圍環境低，所以會發生誘捕現象，從而形成了一個能通過空穴的能量裂縫。

為了進行測量，研究人員結合了兩種不同的X射線技術：X射線吸收光譜和共振X射線發射光譜。該研究在APS裝置上使用7ID-D光束，阿貢X射線物理學家同時也是這項研究的作者之一—Gilles Doumy說，「利用我們在APS上的設置同時結合這些技術，可以給我們呈現出一張顯示原子幾何和材料的電子結構圖像。」

Milne說道，「APS是世界上唯一可以做這個實驗的地方。這是一次卓有成效的合作。」APS是美國能源部科學用戶設施辦公室。

研究人員表示，未來對該系統的研究將會受益於能夠對捕獲行為進行極快拍攝。這樣的實驗可以在X射線自由電子激光設備上進行，比如SLAC的Linac相干光源，也可以是在美國能源部科學用戶設施辦公室。

Southworth說:「從本質上說，我們希望看到同樣的過程，但我們有能力更快地拍攝圖像。」

Doumy補充道，「材料的功能總是要依賴於過程早期行為對之後以及更長時間行為的影響。我們需要兩者圖像才能進行充分理解。」

2月2日，基於此研究，在《Nature Communications》雜誌上刊登了一篇題為「通過時間分辨X射線光譜來揭示納米ZnO粒子的空穴捕獲過程」的文章。

文章來自phys.org，原文題目It"s a trap—Researchers identify the process by which holes get trapped in ZnO nanoparticles，由新材料科技在線團隊整理編輯。

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