Dansende atomer i perovskitmaterialer giver indsigt i, hvordan solceller fungerer

Et nærmere kig på materialer, der udgør konventionelle solceller, afslører et næsten stift arrangement af atomer med ringe bevægelse. Men i hybride perovskiter, en lovende klasse af solcellematerialer, arrangementerne er mere fleksible og atomer danser vildt rundt, en effekt, der påvirker solcellernes ydeevne, men som har været svær at måle.

I et papir udgivet i Proceedings of the National Academy of Sciences , et internationalt team af forskere ledet af det amerikanske energiministeriums SLAC National Accelerator Laboratory har udviklet en ny forståelse af disse vilde danse, og hvordan de påvirker funktionen af ​​perovskitmaterialer. Resultaterne kunne forklare, hvorfor perovskit-solceller er så effektive og hjælpe søgen efter at designe varmebærende solceller, en teoretiseret teknologi, der næsten ville fordoble effektivitetsgrænserne for konventionelle solceller ved at omdanne mere sollys til brugbar elektrisk energi.

brik af puslespillet

Perovskite solceller, som kan fremstilles ved stuetemperatur, tilbyde et billigere og potentielt bedre alternativ til konventionelle solcellematerialer som silicium, som skal fremstilles ved ekstremt høje temperaturer for at eliminere defekter. Men en manglende forståelse af, hvad der gør perovskit-materialer så effektive til at omdanne sollys til elektricitet, har været en stor hindring for at producere endnu højere effektivitet perovskit-solceller.

"Det er virkelig kun i løbet af de sidste fem eller seks år, at folk har udviklet denne intense interesse for solenergi-perovskitmaterialer, " siger Mike Toney, en fremtrædende stabsforsker ved SLACs Stanford Synchrotron Radiation Light Source (SSRL), der ledede undersøgelsen. "Som en konsekvens, der mangler meget af den grundlæggende viden om, hvad der får materialerne til at fungere. I denne forskning, vi gav en vigtig brik i dette puslespil ved at vise, hvad der adskiller dem fra mere konventionelle solcellematerialer. Dette giver os et videnskabeligt grundlag, der vil give os mulighed for at begynde at konstruere disse materialer på en rationel måde."

Holder det varmt

Når sollys rammer en solcelle, noget af energien kan bruges til at sparke elektroner i materialet op til højere energitilstande. Disse højenergielektroner ledes ud af materialet, producerer elektricitet.

Men før dette sker, størstedelen af ​​solens energi går tabt til varme, og en del går også tabt under udvinding af brugbar energi eller på grund af ineffektiv lysindsamling. I mange konventionelle solceller, som dem lavet med silicium, akustiske fononer - en slags lydbølge, der forplanter sig gennem materiale - er den primære måde, hvorpå denne varme føres gennem materialet. Den energi, der tabes af elektronen som varme, begrænser solcellens effektivitet.

I dette studie, teoretikere fra Storbritannien, ledet af Imperial College professor Aron Walsh og elektroniske strukturteoretikere Jonathan Skelton og Jarvist Frost, givet en teoretisk ramme til fortolkning af de eksperimentelle resultater. De forudsagde, at akustiske fononer, der rejser gennem perovskiter, ville have korte levetider som et resultat af de fleksible arrangementer af dansende atomer og molekyler i materialet.

Stanford-kemikerne Hema Karunadasa og Ian Smith var i stand til at dyrke de store, specialiserede enkeltkrystaller, der var afgørende for dette arbejde. Med hjælp fra Peter Gehring, en fysiker ved NIST Center for Neutron Research, holdet spredte neutroner fra disse perovskit-enkeltkrystaller på en måde, der gjorde det muligt for dem at spore bevægelsen af ​​atomerne og molekylerne i materialet. Dette gjorde det muligt for dem præcist at måle levetiden af ​​de akustiske fononer.

Forskerholdet fandt ud af, at i perovskites, akustiske fononer er utroligt kortvarige, overlever kun 10 til 20 billioner af et sekund. Uden disse fononer transporterer varme gennem materialet, elektronerne kan forblive varme og holde på deres energi, når de trækkes ud af materialet. Udnyttelse af denne effekt kan potentielt føre til varmebærende solceller med effektivitet, der er næsten dobbelt så høj som konventionelle solceller.

Ud over, dette fænomen kunne forklare, hvordan perovskit-solceller fungerer så godt på trods af, at materialet er fyldt med defekter, der ville fange elektroner og dæmpe ydeevnen i andre materialer.

"Da fononer i perovskites ikke rejser ret langt, de ender med at opvarme området omkring elektronerne, som kan give det boost, elektronerne har brug for for at undslippe fælderne og fortsætte på deres lystige vej, " siger Toney.

Transformering af energiproduktion

For at følge op på denne undersøgelse, forskere ved Center for Hybrid Organic-Inorganic Semiconductors for Energy (CHOISE) Energy Frontier Research Center ledet af DOE's National Renewable Energy Laboratory vil undersøge dette fænomen i mere komplicerede perovskitmaterialer, der har vist sig at være mere effektive i energienheder. De vil gerne finde ud af, hvordan ændring af den kemiske sammensætning af materialet påvirker akustiske fonon-levetider.

"Vi skal grundlæggende transformere vores energisystem så hurtigt som muligt, " siger Aryeh Gold-Parker, der var med til at lede studiet som ph.d. studerende ved Stanford University og SLAC. "Når vi bevæger os mod en fremtid med lavt kulstofindhold, en meget vigtig brik er at have billige og effektive solceller. Håbet i perovskites er, at de vil føre til kommercielle solpaneler, der er mere effektive og billigere end dem, der er på markedet i dag."