Atomfilm kan hjælpe med at forklare, hvorfor perovskit-solceller er mere effektive

I de seneste år, perovskiter har taget solcelleindustrien med storm. De er billige, lette at producere og meget fleksible i deres applikationer. Deres effektivitet til at omdanne lys til elektricitet er vokset hurtigere end for noget andet materiale - fra under fire procent i 2009 til over 20 procent i 2017 - og nogle eksperter mener, at perovskiter i sidste ende kan udkonkurrere det mest almindelige solcellemateriale, silicium. Men på trods af deres popularitet, forskere ved ikke, hvorfor perovskitter er så effektive.

Nu har eksperimenter med et kraftigt "elektronkamera" ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory opdaget, at lys hvirvler atomer rundt i perovskitter, potentielt forklarer den høje effektivitet af disse næste generations solcellematerialer og giver ledetråde til at lave bedre.

"Vi har taget et skridt hen imod at løse mysteriet, " sagde Aaron Lindenberg fra Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) og Stanford PULSE Institute for ultrahurtig videnskab, som drives i fællesskab af Stanford University og SLAC. "Vi optog film, der viser, at visse atomer i en perovskit reagerer på lys inden for billioner af et sekund på en meget usædvanlig måde. Dette kan lette transporten af ​​elektriske ladninger gennem materialet og øge dets effektivitet."

Undersøgelsen blev offentliggjort i dag i Videnskabens fremskridt .

Lys sætter atomstruktur i bevægelse

Når lys skinner på et solcellemateriale, dens energi fortrænger nogle af materialets negativt ladede elektroner. Dette efterlader "elektronhuller" med en positiv ladning, hvor elektronerne oprindeligt var placeret. Elektroner og huller migrerer til modsatte sider af materialet, skabe en spænding, der kan bruges til at drive elektriske enheder.

En solcelles effektivitet afhænger af, hvor frit elektroner og huller kan bevæge sig i materialet. Deres mobilitet, på tur, afhænger af materialets atomare struktur. I siliciumsolceller, for eksempel, silicium atomer stiller op på en meget velordnet måde inde i krystaller, og selv de mindste strukturelle fejl reducerer materialets evne til effektivt at høste lys.

Som resultat, siliciumkrystaller skal dyrkes i dyre, flertrinsprocedurer under ekstremt rene forhold. I modsætning, "Perovskites fremstilles let ved at blande kemikalier i et opløsningsmiddel, som fordamper og efterlader en meget tynd film af perovskitmateriale, " sagde Xiaoxi Wu, undersøgelsens hovedforfatter fra SIMES ved SLAC. "Enklere behandling betyder lavere omkostninger. I modsætning til siliciumsolceller, tynde perovskitfilm er også lette og fleksible og kan let påføres på stort set enhver overflade."

Men hvad er det egentlig ved perovskitter, der gør det muligt for nogle af dem at høste lys meget effektivt? Forskere tror, ​​at en af ​​nøglerne er, hvordan deres atomer bevæger sig som reaktion på lys.

For at finde ud af mere, Wu og hendes kolleger studerede disse bevægelser i et prototypemateriale lavet af jod, bly og et organisk molekyle kaldet methylammonium. Jod-atomerne er arrangeret i oktoedre - otte-sidede strukturer, der ligner to pyramider forbundet ved deres baser. Blyatomerne sidder inde i octoedrene og methylammoniummolekylerne sidder mellem octoedrene (se diagrammet nedenfor). Denne arkitektur er fælles for mange af de perovskitter, der er undersøgt til solcelleapplikationer.

"Tidligere undersøgelser har for det meste undersøgt methylammoniumionernes rolle og deres bevægelser i transporten af ​​elektrisk ladning gennem materialet, " sagde Wu. "Men vi har opdaget, at lys forårsager store deformationer i netværket af bly- og jodatomer, som kan være afgørende for effektiviteten af ​​perovskitter."

Usædvanlige forvrængninger kan øge effektiviteten

På SLAC's Accelerator Structure Test Area (ASTA), forskerne ramte først en perovskite-film, mindre end to milliontedele af en tomme tyk, med en 40 femtosekunders laserpuls. Et femtosekund er en milliontedel af en milliardtedel af et sekund. For at bestemme den atomare reaktion, de sendte en 300 femtosekunders puls af højenergetiske elektroner gennem materialet og observerede, hvordan elektronerne blev afbøjet i filmen. Denne teknik, kaldet ultrahurtig elektrondiffraktion (UED), tillod dem at rekonstruere atomstrukturen.

"Ved at gentage eksperimentet med forskellige tidsforsinkelser mellem de to impulser, vi fik en stop-motion-film af bly- og jodatomernes bevægelser efter lysets slag, " sagde medforfatter Xijie Wang, SLAC's ledende videnskabsmand for UED. "Metoden ligner at tage en række ultrahurtige røntgenbilleder, men elektroner giver os meget stærkere signaler til tynde prøver og er mindre ødelæggende."

Holdet forventede, at lysimpulsen ville påvirke atomer jævnt i alle retninger, får dem til at vifte rundt i deres oprindelige positioner.

"Men det er ikke det, der skete, " sagde Lindenberg. "Inden for 10 billiontedele af et sekund efter laserpulsen, jodatomerne roterede rundt om hvert blyatom, som om de bevægede sig på overfladen af ​​en kugle med blyatomet i midten, skifter hvert oktaeder fra en regulær form til en forvrænget."

De overraskende deformationer var langvarige og uventet store, svarer i størrelse til dem, der observeres i smeltende krystaller.

"Denne bevægelse kan ændre den måde, ladninger bevæger sig på, " sagde Wu. "Denne reaktion på lys kunne øge effektiviteten, for eksempel ved at lade elektriske ladninger migrere gennem defekter og beskytte dem mod at blive fanget i materialet."

"Resultaterne fra Lindenberg-gruppen giver fascinerende første gangs indsigt i egenskaberne af hybride perovskitter ved hjælp af ultrahurtig elektrondiffraktion som et unikt værktøj, " ifølge Felix Deschler, en ekspert inden for lysinduceret fysik af nye materialer og en forsker ved Cambridge Universitys Cavendish Lab.

"Viden om den detaljerede atombevægelse efter fotoexcitation giver ny information om deres ydeevne og kan give nye retningslinjer for materialeudvikling."