Forskere dyrker blyfrit solmateriale med en indbygget switch

Solpaneler, også kendt som fotovoltaik, er afhængige af halvlederenheder eller solceller til at omdanne energi fra solen til elektricitet.

For at generere elektricitet har solceller brug for et elektrisk felt til at adskille positive ladninger fra negative ladninger. For at få dette felt doper producenterne typisk solcellen med kemikalier, så et lag af enheden bærer en positiv ladning og et andet lag en negativ ladning. Dette flerlagsdesign sikrer, at elektroner flyder fra den negative side af en enhed til den positive side - en nøglefaktor i enhedens stabilitet og ydeevne. Men kemisk doping og lagdelt syntese tilføjer også ekstra dyre trin i solcellefremstillingen.

Nu har et team af forskere ledet af forskere ved DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) i samarbejde med UC Berkeley demonstreret en unik løsning, der tilbyder en enklere tilgang til solcellefremstilling:Et krystallinsk solmateriale med indbygget elektrisk felt - en egenskab aktiveret af, hvad videnskabsmænd kalder "ferroelektricitet." Materialet blev rapporteret tidligere på året i tidsskriftet Science Advances .

Det nye ferroelektriske materiale - som er dyrket i laboratoriet af cæsiumgermaniumtribromid (CsGeBr₃ eller CGB) – åbner døren til en lettere tilgang til fremstilling af solcelleenheder. I modsætning til konventionelle solmaterialer er CGB-krystaller i sagens natur polariserede, hvor den ene side af krystallen opbygger positive ladninger, og den anden side opbygger negative ladninger, uden doping påkrævet.

Ud over at være ferroelektrisk er CGB også en blyfri "halogenidperovskit", en ny klasse af solmaterialer, der har fascineret forskere for deres overkommelighed og nemme syntese sammenlignet med silicium. Men mange af de bedst ydende halogenidperovskitter indeholder naturligt grundstoffet bly. Ifølge andre forskere, der har publiceret i Materials Today Energy i 2017 kunne blyrester fra produktion og bortskaffelse af perovskit-solmateriale forurene miljøet og give anledning til folkesundhedsproblemer. Af disse grunde har forskere søgt nye halogenidperovskitformuleringer, der undgår bly uden at gå på kompromis med ydeevnen.

"Hvis du kan forestille dig et blyfrit solmateriale, der ikke kun høster energi fra solen, men også har den ekstra bonus ved at have et naturligt, spontant dannet elektrisk felt - mulighederne på tværs af solenergi- og elektronikindustrien er ret spændende," sagde co-senior forfatter Peidong Yang, en førende nanomaterialeekspert kendt for sit banebrydende arbejde inden for endimensionelle halvledende nanotråde til nye solcelleteknologier og kunstig fotosyntese. Han er seniorforsker på fakultetet i Berkeley Labs Materials Sciences Division og professor i kemi og materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved UC Berkeley.

CGB kunne også fremme en ny generation af switching-enheder, sensorer og superstabile minder, der reagerer på lys, sagde co-senior forfatter Ramamoorthy Ramesh, der havde titler som senior fakultetsforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division og professor i materialevidenskab og ingeniør ved UC Berkeley på tidspunktet for undersøgelsen og er nu vicepræsident for forskning ved Rice University.

Perovskite-solfilm fremstilles typisk ved hjælp af billige opløsnings-belægningsmetoder, såsom spin-coating eller inkjet-print. Og i modsætning til silicium, som kræver en behandlingstemperatur på omkring 2.732 grader Fahrenheit for at blive fremstillet til en solcelleenhed, behandles perovskiter let fra opløsning ved stuetemperatur til omkring 300 grader Fahrenheit - og for producenterne ville disse lavere behandlingstemperaturer reducere energiomkostningerne dramatisk.

Men på trods af deres potentielle løft til solenergisektoren, vil perovskit-solmaterialer ikke være markedsklare, før forskere overvinder langvarige udfordringer inden for produktsyntese og -stabilitet og materialebæredygtighed.

Fast den perfekte ferroelektriske perovskite

Perovskitter krystalliserer fra tre forskellige grundstoffer; og hver perovskitkrystal er afgrænset af den kemiske formel ABX₃

De fleste perovskit-solmaterialer er ikke ferroelektriske, fordi deres krystallinske atomstruktur er symmetrisk, som et snefnug. I de sidste par årtier har forskere inden for vedvarende energi som Ramesh og Yang været på jagt efter eksotiske perovskitter med ferroelektrisk potentiale – specifikt asymmetriske perovskiter.

For et par år siden spekulerede førsteforfatter Ye Zhang, som var en UC Berkeley kandidatstuderende forsker i Yangs laboratorium på det tidspunkt, hvordan hun kunne lave en blyfri ferroelektrisk perovskit. Hun teoretiserede, at placering af et germaniumatom i midten af ​​en perovskit ville forvrænge dens krystallinitet lige nok til at fremkalde ferroelektricitet. Oven i købet ville en germanium-baseret perovskit befri materialet for bly. (Zhang er nu postdoc-forsker ved Northwestern University.)

Men selvom Zhang havde finpudset germanium, var der stadig usikkerheder. Når alt kommer til alt, er det at fremtrylle den bedste blyfri, ferroelektriske perovskitformel som at finde en nål i en høstak. Der er tusindvis af mulige formuleringer.

Så Yang, Zhang og team samarbejdede med Sinéad Griffin, en stabsforsker i Berkeley Lab's Molecular Foundry and Materials Sciences Division, som har specialiseret sig i design af nye materialer til en række applikationer, herunder kvanteberegning og mikroelektronik.

Med støtte fra Materials Project brugte Griffin supercomputere ved National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) til at udføre avancerede teoretiske beregninger baseret på en metode kendt som tæthedsfunktionel teori.

Gennem disse beregninger, som tager atomstruktur og kemiske arter som input og kan forudsige egenskaber såsom den elektroniske struktur og ferroelektricitet, nulstillede Griffin og hendes team CGB, den eneste helt uorganiske perovskit, der afkrydsede alle felter på forskernes ferroelektrisk perovskite ønskeliste:Er den asymmetrisk? Ja, dens atomstruktur ligner en rhombohedran, rektanglets skæve fætter. Er det virkelig en perovskite? Ja, dens kemiske formel – CeGeBr₃ – matcher perovskittens afslørende struktur af ABX₃ .

Forskerne teoretiserede, at den asymmetriske placering af germanium i midten af ​​krystallen ville skabe et potentiale, der ligesom et elektrisk felt adskiller positive elektroner fra negative elektroner for at producere elektricitet. Men havde de ret?

Måling af CGB's ferroelektriske potentiale

For at finde ud af det dyrkede Zhang små nanotråde (100 til 1.000 nanometer i diameter) og nanoplader (omkring 200 til 600 nanometer tykke og 10 mikrometer brede) af enkeltkrystallinsk CGB med enestående kontrol og præcision.

"Mit laboratorium har i mange år forsøgt at finde ud af, hvordan man erstatter bly med mindre giftige materialer," sagde Yang. "I udviklede en fantastisk teknik til at dyrke enkeltkrystal germaniumhalogenidperovskiter - og det er en smuk platform til at studere ferroelektricitet."

Røntgenforsøg ved Advanced Light Source afslørede CGB's asymmetriske krystallinske struktur, et signal om ferroelektricitet. Elektronmikroskopi-eksperimenter ledet af Xiaoqing Pan ved UC Irvine afslørede flere beviser for CGB's ferroelektricitet:en "forskudt" atomstruktur forskudt af germaniumcentret.

Meanwhile, electrical measurement experiments carried out in the Ramesh lab by Zhang and Eric Parsonnet, a UC Berkeley physics graduate student researcher and co-author on the study, revealed a switchable polarity in CGB, satisfying yet another requirement for ferroelectricity.

But a final experiment—photoconductivity measurements in Yang's UC Berkeley lab—yielded a delightful result, and a surprise. The researchers found that CGB's light absorption is tunable—spanning the spectrum of visible to ultraviolet light (1.6 to 3 electron volts), an ideal range for coaxing high energy conversion efficiencies in a solar cell, Yang said. Such tunability is rarely found in traditional ferroelectrics, he noted.

Yang says there is still more work to be done before the CGB material can make its debut in a commercial solar device, but he's excited by their results so far. "This ferroelectric perovskite material, which is essentially a salt, is surprisingly versatile," he said. "We look forward to testing its true potential in a real photovoltaic device." + Udforsk yderligere

Germanium-lead perovskite LEDs:A new way to reduce toxicity