Forskere finder det første overbevisende bevis på ny egenskab kendt som ferroelasticitet i perovskitter

Krystallinske materialer kendt som perovskites kan blive de næste superstjerner af solceller. I løbet af de sidste par år, forskere har påvist, at en særlig klasse af perovskitter – dem der består af en hybrid af organiske og uorganiske komponenter – omdanner sollys til elektricitet med en effektivitet på over 20 procent og er lettere at fremstille og mere uigennemtrængelige for defekter end standardsolcellen lavet af krystallinsk silicium . Som fremstillet i dag, imidlertid, disse organiske/uorganiske perovskitter (OIP'er) forringes længe før den typiske 30-årige levetid for siliciumceller, hvilket forhindrer deres udbredte brug til at udnytte solenergi.

Nu har et hold ledet af Andrea Centrone ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og Jinsong Huang og Alexei Gruverman fra University of Nebraska fundet de første solide beviser for en egenskab hos OIP'er, der kan give en ny måde at forbedre deres langvarighed på. -tidsstabilitet som solceller.

Det uventede træk, som holdet fandt, er kendt som ferroelasticitet - en spontan omarrangering af den interne struktur af OIP'er, hvor hver krystal opdeles i en række små områder, eller domæner, der har samme atomarrangement, men som er orienteret i forskellige retninger. Denne omlejring skaber en spontan belastning i hvert domæne, der eksisterer selv i fravær af nogen ekstern belastning (kraft).

"De ferroelastiske domæners rolle på materialets stabilitet skal forstås, " sagde Centrone.

Ved høje temperaturer, OIP-krystaller opdeles ikke og har det samme kubiske arrangement af atomer hele vejen igennem. Ved stuetemperatur, imidlertid, OIP-krystalstrukturen ændres fra kubisk til tetragonal, hvor den ene akse af terningen forlænges. Det er her, materialets ferroelastiske egenskab spiller ind.

"At transformere fra et kubisk til et tetragonalt arrangement, den ene akse af kuben skal forlænges. I processen, hver krystal opdeles i mindre domæner, hvor den aflange akse kan pege i en anden retning, fører til spontane indre belastninger, " forklarede teammedlem Evgheni Strelcov fra NIST og University of Maryland.

På nuværende tidspunkt det er stadig ukendt, om ferroelasticitet er en egenskab, der forbedrer eller hæmmer ydeevnen og stabiliteten af ​​perovskit-solceller, bemærkede Centrone. Men selve det faktum, at OIP'er har denne interne struktur, bryde enkeltkrystaller op i domæner, er vigtigt at undersøge, han tilføjede. Grænser mellem krystaller - såkaldte inter-korn grænser - er kendt for at være svage punkter, hvor strukturelle defekter koncentreres. Tilsvarende grænserne mellem de nyopdagede ferroelastiske domæner inde i en enkelt krystal - intra-korn grænser - kan også påvirke stabiliteten af ​​OIP'er og deres ydeevne som solceller.

Forskerne opdagede, at ved at bøje krystallerne, de kunne pålideligt bevæge sig, skabe eller eliminere de ferroelastiske korngrænser - grænserne mellem underopdelte krystalområder med forskellige orienteringer - og dermed forstørre eller reducere størrelsen af ​​hvert domæne. Bøjningen ændrede også den relative andel af domæner, der pegede i forskellige orienteringer. Forskerne beskrev for nylig deres arbejde i Science Advances.

I deres undersøgelse, holdet fandt ingen beviser for, at OIP'erne var ferroelektriske; med andre ord, at de dannede domæner, hvor adskillelsen af ​​midten af ​​positive og negative elektriske ladninger er justeret i forskellige retninger i fravær af et eksternt elektrisk felt. Dette fund er væsentligt, fordi nogle forskere havde spekuleret i, at ferroelektricitet kunne være den underliggende egenskab, der gør OIP'er til lovende kandidater til solceller.

Forskerne skabte enkelte hele krystaller store nok til at afsløre ferroelastiske domæner, som fremstod som striber med et optisk mikroskop. De studerede også OIP'er bestående af polykrystallinske tynde film, som blev undersøgt ved hjælp af nanoskalateknikker.

Forskerne brugte to metoder i nanoskala, der anvender atomic force microscope (AFM) prober til at måle ferroelasticitet i OIP tynde film. På University of Nebraska, Gruverman og hans samarbejdspartnere brugte piezorespons kraftmikroskopi (PFM), som kortlagde den elektrisk inducerede mekaniske respons af en OIP-prøve i hvile og under mekanisk belastning ved forsigtigt at bøje prøven.

I den anden metode, laserimpulser, der spænder fra det synlige til det infrarøde område, ramte en tynd perovskitfilm, hvilket får materialet til at varme op og udvide sig. Den lille ekspansion blev fanget og forstærket af AFM-sonden ved hjælp af fototermisk induceret resonans (PTIR), en teknik, der kombinerer opløsningen af ​​en AFM med den præcise sammensætningsinformation fra infrarød spektroskopi. PTIR-billeddannelse afslørede tilstedeværelsen af ​​mikroskopiske striber, der varede, selv når prøverne blev udsat for opvarmning eller påført spænding. Eksperimenter viste, at striberne ikke var korreleret med den lokale kemiske sammensætning eller optiske egenskaber, men skyldtes forskelle i termisk udvidelseskoefficient for de ferroelastiske domæner.