Ny teknik lader forskere kortlægge belastninger i næste generations solceller

Folk kan være gode til at skjule belastninger, og vi er ikke alene. Solceller har samme talent. For en solcelle, fysiske belastninger inden for dens mikroskopiske krystallinske struktur kan afbryde dens kernefunktion - at konvertere sollys til elektricitet - ved i det væsentlige at "tabe" energi som varme. For en ny type solcelle, kendt som blyhalogenid perovskiter, at reducere og tæmme dette tab er nøglen til at forbedre effektiviteten og sætte perovskitterne på niveau med nutidens siliciumsolceller.

For at forstå, hvor belastningen opbygges i en solcelle og udløser energitabet, videnskabsmænd skal visualisere den underliggende kornstruktur af perovskitkrystaller i solcellen. Men den bedste tilgang involverer at bombardere solcellen med højenergielektroner, hvilket i det væsentlige brænder solcellen og gør den ubrugelig.

Forskere fra University of Washington og FOM Institute for Atomic and Molecular Physics i Holland har udviklet en måde at belyse belastning i blyhalogenid perovskit solceller uden at skade dem. Deres tilgang, offentliggjort online 10. september in Joule , lykkedes med at afbilde kornstrukturen af ​​en perovskit-solcelle, viser, at fejlorientering mellem mikroskopiske perovskitkrystaller er den primære bidragyder til opbygningen af ​​belastning i solcellen. Krystalfejlorientering skaber småskala defekter i kornstrukturen, som afbryder transporten af ​​elektroner i solcellen og fører til varmetab gennem en proces kendt som ikke-strålende rekombination.

"Ved at kombinere vores optiske billeddannelse med den nye elektrondetektor udviklet hos FOM, vi kan faktisk se, hvordan de enkelte krystaller er orienteret og sat sammen i en perovskit-solcelle, " sagde seniorforfatter David Ginger, en UW-professor i kemi og chefforsker ved det UW-baserede Clean Energy Institute. "Vi kan vise, at belastningen opbygges på grund af kornorienteringen, som er information, forskere kan bruge til at forbedre perovskitsyntese og fremstillingsprocesser for at realisere bedre solceller med minimal belastning - og derfor minimalt varmetab på grund af ikke-strålende rekombination."

Blyhalogenidperovskitter er billige, printbare krystallinske forbindelser, der viser lovende som billige, tilpasningsdygtige og effektive alternativer til silicium- eller galliumarsenid-solcellerne, der er meget udbredt i dag. Men selv de bedste perovskit-solceller mister noget elektricitet som varme på mikroskopiske steder spredt ud over cellen, hvilket dæmper effektiviteten.

Forskere har længe brugt fluorescensmikroskopi til at identificere de steder på perovskit-solcellernes overflade, der reducerer effektiviteten. Men for at identificere placeringen af ​​defekter, der forårsager varmetabet, forskere skal afbilde filmens sande kornstruktur, ifølge første forfatter Sarthak Jariwala, en UW ph.d.-studerende i materialevidenskab og teknik og en Clean Energy Institute Graduate Fellow.

"Historisk set, billeddannelse af solcellens underliggende sande kornstruktur har ikke været muligt uden at beskadige solcellen, " sagde Jariwala.

Typiske tilgange til at se den indre struktur anvender en form for elektronmikroskopi kaldet elektron backscatter diffraction, som normalt ville brænde solcellen. Men forskere ved FOM Institute for Atomic and Molecular Physics, ledet af medforfatterne Erik Garnett og Bruno Ehrler, udviklet en forbedret detektor, der kan fange elektron-backscatter-diffraktionsbilleder ved lavere eksponeringstider, bevare solcellestrukturen.

Billederne af perovskit-solceller fra Ginger's laboratorium afslører en kornstruktur, der ligner en tør søbund, med "revner", der repræsenterer grænserne mellem tusindvis af individuelle perovskitkorn. Ved at bruge disse billeddata, forskerne kunne for første gang kortlægge 3D-orienteringen af ​​krystaller i en fungerende perovskit-solcelle. De kunne også bestemme, hvor fejljustering blandt krystaller skabte belastning.

Da forskerne overlejrede billeder af perovskittens kornstruktur med centre for ikke-strålende rekombination, som Jariwala afbildede ved hjælp af fluorescensmikroskopi, de opdagede, at ikke-strålende rekombination også kunne forekomme væk fra synlige grænser.

"Vi tror, ​​at belastning lokalt deformerer perovskitstrukturen og forårsager defekter, " sagde Ginger. "Disse defekter kan så forstyrre transporten af ​​elektrisk strøm i solcellen, forårsager ikke-strålende rekombination - selv andre steder på overfladen."

Mens Gingers team tidligere har udviklet metoder til at "helbrede" nogle af disse defekter, der tjener som centre for ikke-strålende rekombination i perovskit-solceller, ideelt set vil forskere gerne udvikle perovskitsyntesemetoder, der helt vil reducere eller eliminere ikke-strålende rekombination.

"Nu kan vi udforske strategier som at kontrollere kornstørrelse og orienteringsspredning under perovskitsynteseprocessen, " sagde Ginger. "Det kan være veje til at reducere fejlorientering og belastning - og forhindre defekter i at danne sig i første omgang."