Forskere får gennembrud i solcellematerialer

Ved at bruge laserspektroskopi i et fotofysisk eksperiment, Forskere fra Clemson University har brudt ny vej, der kan resultere i hurtigere og billigere energi til at drive elektronik.

Denne nye tilgang, ved hjælp af løsningsforarbejdet perovskit, har til formål at revolutionere en række dagligdags genstande såsom solceller, Lysdioder, fotodetektorer til smartphones og computerchips. Løsningsforarbejdet perovskit er den næste generations materialer til solcellepaneler på hustage, Røntgendetektorer til medicinsk diagnose, og lysdioder til daglig belysning.

Forskergruppen omfattede et par kandidatstuderende og en bachelorstuderende, der er mentor af Jianbo Gao, gruppeleder for Ultrafast Photophysics of Quantum Devices (UPQD) -gruppen i College of Science's Institut for Fysik og Astronomi.

Den kollaborative forskning blev offentliggjort den 12. marts i tidsskriftet med stor indflydelse Naturkommunikation. Artiklen har titlen "Observation på stedet af fangede bærere i organiske metalhalogenid-perovskitfilm med ultrahurtige midlertidige og ultrahøje energiløsninger."

Den vigtigste efterforsker var Gao, der er adjunkt i fysik i kondenseret stof. Medforfatterne omfattede kandidatstuderende Kanishka Kobbekaduwa (første forfatter) og Pan Adhikari fra UPQD-gruppen, samt bachelor Lawrence Coleman, en senior i fysikafdelingen.

Andre forfattere fra Clemson var Apparao Rao, R.A. Bowen professor i fysik, og eksiske Liu, en gæstestuderende fra Kina, der arbejder under Gao.

"Perovskit -materialer er designet til optiske applikationer såsom solceller og lysdioder, "sagde Kobbekaduwa, en kandidatstuderende og første forfatter til forskningsartiklen. "Det er vigtigt, fordi det er meget lettere at syntetisere i forhold til de nuværende siliciumbaserede solceller. Dette kan gøres ved hjælp af opløsning-mens der i silicium, du skal have forskellige metoder, der er dyrere og tidskrævende. "

Målet med forskningen er at gøre materialer, der er mere effektive, billigere og lettere at producere.

Den unikke metode, der blev brugt af Gaos team - ved hjælp af ultrahurtig fotostrømspektroskopi - gav mulighed for en meget højere tidsopløsning end de fleste metoder, for at definere fysikken i de fangede transportører. Her, indsatsen måles i picosekunder, som er en billionion af et sekund.

"Vi fremstiller enheder ved hjælp af dette (perovskit) materiale, og vi bruger en laser til at skinne lys over det og ophidse elektronerne i materialet, "Sagde Kobbekaduwa." Og derefter ved at bruge et eksternt elektrisk felt, vi genererer en fotostrøm. Ved at måle denne fotostrøm, vi kan faktisk fortælle folk egenskaberne ved dette materiale. I vores tilfælde, vi definerede de fangede tilstande, som er defekter i materialet, der vil påvirke den strøm, vi får. "

Når fysikken er defineret, forskere kan identificere fejlene - som i sidste ende skaber ineffektivitet i materialerne. Når fejlene reduceres eller passiveres, dette kan resultere i øget effektivitet, hvilket er afgørende for solceller og andre enheder.

Efterhånden som materialer skabes gennem løsningsprocesser såsom spin -coating eller inkjet -udskrivning, sandsynligheden for at indføre defekter øges. Disse lavtemperaturprocesser er billigere end metoder til ultrahøj temperatur, der resulterer i et rent materiale. Men afvejningen er flere mangler i materialet. At finde en balance mellem de to teknikker kan betyde højere kvalitet og mere effektive enheder til lavere omkostninger.

Substratprøverne blev testet ved at skyde en laser på materialet for at bestemme, hvordan signalet formerer sig gennem det. Ved hjælp af en laser til at belyse prøverne og indsamle strømmen gjorde arbejdet muligt og differentierede det fra andre eksperimenter, der ikke anvender brugen af ​​et elektrisk felt.

"Ved at analysere denne strøm, vi er i stand til at se, hvordan elektronerne bevægede sig, og hvordan de kommer ud af en defekt, "sagde Adhikari fra UPQD-gruppen." Det er kun muligt, fordi vores teknik involverer ultrahurtig tidsskala og in-situ-enheder under et elektrisk felt. Når elektronen falder ind i defekten, dem, der eksperimenterer med andre teknikker, kan ikke fjerne det. Men vi kan tage det ud, fordi vi har det elektriske felt. Elektroner har ladning under det elektriske felt, og de kan flytte fra et sted til et andet. Vi er i stand til at analysere deres transport fra et punkt til et andet inde i materialet. "

Denne transport og virkningen af ​​materialefejl på den kan påvirke ydeevnen for disse materialer og de enheder, hvori de bruges. Det er alt sammen en del af de vigtige opdagelser, som eleverne gør under vejledning af deres mentor, skabe krusninger, der vil føre til det næste store gennembrud.

"Eleverne lærer ikke kun; de gør faktisk arbejdet, "Gao sagde." Jeg er så heldig at have talentfulde studerende, der - når de er inspireret af udfordringer og ideer - vil blive indflydelsesrige forskere. Dette er alt sammen en del af de vigtige opdagelser, som eleverne gør under vejledning af deres mentorer, skabe krusninger, der vil føre til det næste store gennembrud. Vi er også meget taknemmelige for det stærke samarbejde med Shreetu Shrestha og Wanyi Nie, der er topmaterialeforskere fra Los Alamos National Laboratory. "