Forskere udpeger oprindelsen af ​​defekter, der undergraver potentialet for næste generations solteknologi

I det sidste årti, perovskites - en mangfoldig række af materialer med en specifik krystalstruktur - er dukket op som lovende alternativer til siliciumsolceller, da de er billigere og grønnere at fremstille, samtidig med at der opnås et sammenligneligt effektivitetsniveau.

Imidlertid, perovskites viser stadig betydelige ydeevnetab og ustabilitet, især i de specifikke materialer, der lover den højeste ultimative effektivitet. Mest forskning til dato har fokuseret på måder at fjerne disse tab på, men deres faktiske fysiske årsager forbliver ukendte.

Nu, i et blad offentliggjort i dag i Natur , forskere fra Dr. Sam Stranks' gruppe ved Cambridge University's Department of Chemical Engineering and Biotechnology og Cavendish Laboratory, og professor Keshav Dani's Femtosecond Spectroscopy Unit ved OIST i Japan, identificere kilden til problemet. Deres opdagelse kunne strømline indsatsen for at øge effektiviteten af ​​perovskites, bringe dem tættere på massemarkedsproduktion.

Perovskitmaterialer er meget mere tolerante over for defekter i deres struktur end siliciumsolceller, og tidligere forskning udført af Stranks' gruppe viste, at til en vis grad, en vis heterogenitet i deres sammensætning forbedrer faktisk deres ydeevne som solceller og lysemittere.

Imidlertid, den nuværende begrænsning af perovskitmaterialer er tilstedeværelsen af ​​en "dyb fælde" forårsaget af en bestemt type defekt, eller mindre skavanker, i materialet. Disse er områder i materialet, hvor strømførende ladningsbærere kan sætte sig fast og rekombinere, mister deres energi til varme, i stedet for at omdanne det til nyttig elektricitet eller lys. Denne uønskede rekombinationsproces kan have en betydelig indvirkning på effektiviteten og stabiliteten af ​​solpaneler og LED'er.

Indtil nu, meget lidt var kendt om årsagen til disse fælder, dels fordi de ser ud til at opføre sig ret anderledes end fælder i traditionelle solcellematerialer.

I 2015 Dr. Stranks og kollegaer offentliggjorde et videnskabspapir, der kiggede på luminescensen af ​​perovskitter, som afslører, hvor gode de er til at absorbere eller udsende lys. "Vi fandt ud af, at materialet var meget heterogent; du havde ret store områder, der var lyse og selvlysende, og andre områder, der var virkelig mørke, " siger Stranks. "Disse mørke områder svarer til strømtab i solceller eller LED'er. Men hvad der forårsagede strømtabet var altid et mysterium, især fordi perovskitter ellers er så defekttolerante."

På grund af begrænsninger af standard billedbehandlingsteknikker, gruppen kunne ikke se, om de mørkere områder var forårsaget af en, stor fældeplads, eller mange mindre fælder, hvilket gør det vanskeligt at fastslå, hvorfor de kun blev dannet i visse regioner.

Senere i 2017, Professor Keshav Danis gruppe ved OIST udgav et papir i Natur nanoteknologi , hvor de lavede en film af, hvordan elektroner opfører sig i halvledere efter at have absorberet lys. "Man kan lære meget af at kunne se, hvordan ladninger bevæger sig i et materiale eller en enhed efter at have skinnet lys. F.eks. du kan se, hvor de kan blive fanget, " siger Dani. "Men disse ladninger er svære at visualisere, da de bevæger sig meget hurtigt – på tidsskalaen en milliontedel af en milliardtedel af et sekund; og over meget korte afstande - på længdeskalaen en milliardtedel af en meter."

Efter at have hørt om Danis arbejde, Dr. Stranks nåede ud for at se, om de kunne arbejde sammen for at løse problemet med at visualisere de mørke områder i perovskitter.

Holdet hos OIST brugte for første gang en teknik kaldet fotoemissionselektronmikroskopi (PEEM) på perovskitter, hvor de sonderede materialet med ultraviolet lys og opbyggede et billede ud fra, hvordan de udsendte elektroner spredte sig.

Da de så på materialet, de fandt ud af, at de mørke områder indeholdt fælder, omkring 10-100 nanometer i længden, som var klynger af mindre fældesteder i atomstørrelse. Disse fældeklynger var spredt ujævnt over hele perovskitmaterialet, forklarer den heterogene luminescens set i Stranks tidligere forskning.

Spændende nok, da forskerne lagde billeder af fældestederne over på billeder, der viste krystalkornene af perovskitmaterialet, de fandt ud af, at fældeklyngerne kun blev dannet på bestemte steder, ved grænserne mellem visse korn.

For at forstå hvorfor dette kun skete ved visse korngrænser, grupperne arbejdede sammen med professor Paul Midgleys team fra Cambridge Universitys afdeling for materialevidenskab og metallurgi ved at bruge en teknik kaldet scanning elektrondiffraktion for at skabe detaljerede billeder af perovskitkrystalstrukturen. Projektholdet gjorde brug af elektronmikroskopi-opsætningen på ePSIC-faciliteten ved Diamond Light Source Synchrotron, som har specialudstyr til billeddannelse af strålefølsomme materialer, som perovskitter.

"Fordi disse materialer er meget strålefølsomme, Typiske teknikker, som du vil bruge til at undersøge lokal krystalstruktur på disse længdeskalaer, vil ret hurtigt ændre materialet, mens du ser på det, hvilket kan gøre det meget vanskeligt at tolke dataene," forklarer Tiarnan Doherty, en ph.d. studerende i Stranks' gruppe og medforfatter af undersøgelsen. "I stedet, vi var i stand til at bruge meget lave eksponeringsdoser og derfor forhindre skader.

"Fra arbejdet hos OIST, vi vidste, hvor fældeklyngerne var placeret, og hos ePSIC, vi scannede rundt i de samme områder for at se den lokale struktur. Vi var derefter i stand til hurtigt at lokalisere uventede variationer i krystalstrukturen omkring fældeklyngerne."

Gruppen opdagede, at fældeklyngerne kun dannedes ved kryds, hvor et område af materialet med let forvrænget struktur mødte et område med uberørt struktur.

"I perovskites, vi har disse almindelige mosaikkorn af materiale, og de fleste af kornene er pæne og uberørte – den struktur, vi ville forvente, " siger Stranks. "Men i ny og næ, du får et korn, der er lidt forvrænget, og kemien i det korn er inhomogen. Hvad var virkelig interessant, og som oprindeligt forvirrede os, var, at det ikke er det forvrængede korn, der er fælden, men hvor det korn møder et uberørt korn; det er i det kryds, at fælderne samler sig."

Med denne forståelse af fældernes natur, teamet hos OIST brugte også den specialbyggede PEEM-instrumentering til at visualisere dynamikken i ladningsbærerindfangningsprocessen, der sker i perovskitmaterialet. "Dette var muligt, da en af ​​de unikke egenskaber ved vores PEEM-opsætning er, at den kan afbilde ultrahurtige processer - så korte som femtosekunder, " forklarer Andrew Winchester, en ph.d. studerende i Prof. Danis enhed, og medforfatter af denne undersøgelse. "Vi fandt ud af, at fangstprocessen var domineret af ladningsbærere, der diffunderede til fældeklyngerne."

Disse opdagelser repræsenterer et stort gennembrud i søgen efter at bringe perovskiter til solenergimarkedet.

"Vi ved stadig ikke præcis, hvorfor fælderne samler sig der, men vi ved nu, at de dannes der, og tilsyneladende kun der, " siger Stranks. "Det er spændende, fordi det betyder, at vi nu ved, hvad vi skal målrette mod for at få perovskites præstationer frem. Vi er nødt til at målrette mod de inhomogene faser eller slippe af med disse kryds på en eller anden måde."

"Det faktum, at ladningsbærere først skal diffundere til fælderne, kunne også foreslå andre strategier til at forbedre disse enheder, " siger Dani. "Måske kunne vi ændre eller kontrollere arrangementet af fældeklyngerne, uden nødvendigvis at ændre deres gennemsnitlige antal, sådan, at ladningsselskaber er mindre tilbøjelige til at nå disse defekte steder."

Holdenes forskning fokuserede på en bestemt perovskitstruktur. Forskerne vil nu undersøge, om årsagen til disse fangstklynger er universel på tværs af andre perovskitmaterialer.

"Det meste af fremskridtene i enhedens ydeevne har været forsøg og fejl, og indtil videre, dette har været en ret ineffektiv proces, " siger Stranks. "Til dato, det har virkelig ikke været drevet af at kende en specifik årsag og systematisk målrette den. Dette er et af de første gennembrud, der vil hjælpe os med at bruge den grundlæggende videnskab til at konstruere mere effektive enheder."