Forskere udvikler innovative teknikker til højopløsningsanalyse af hybridmaterialer

Ved at kombinere avancerede røntgenspektroskopimålinger med beregninger baseret på grundlæggende "første principper"-teori, forskere opnåede en atom-skala visning af organo-bly halogenid perovskites ikke let opnås med nuværende teknologi.

Den tilgang, de bruger, fungerer godt med strukturelt uordnede materialer som halogenidperovskitter, som har høstet intens interesse i solcelleindustrien på grund af hurtige stigninger i deres solcelleeffektivitet i løbet af de seneste par år. Forståelse af strukturen af ​​perovskites vil hjælpe forskere med at bestemme, hvordan man maksimerer materialets soleffektivitet.

Halogenider, såsom jodid eller bromid, blandes i forskellige forhold for at justere egenskaber i materialet, som båndgab, som bestemmer solabsorptionseffektiviteten. Men det skaber uorden i strukturen, gør det svært at bruge traditionelle billeddannelsesmetoder.

"De fleste billeddannelsesteknikker kan ikke løse meget af den uordnede struktur, " sagde Walter Drisdell, en stabsforsker ved Berkeley Labs Chemical Sciences Division. "Røntgenabsorptionsspektroskopi, med højopløsningsdetektion, virker, fordi den ser på meget lokal struktur og kemiske omgivelser omkring blycentrene uden indblanding fra længere rækkevidde lidelser."

Forskerne brugte en avanceret røntgenspektroskopisk teknik ved Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) ved DOE's SLAC National Accelerator Laboratory. De kombinerede deres resultater med teoriarbejde udført på Berkeley Labs Molecular Foundry, hvor de fortolkede dataene for at forstå materialernes strukturelle detaljer.

"Ved at koble til vores første princips beregninger, vi lærte, at termiske bevægelser, især hældninger af blyhalogenid-oktaedrene, er virkelig vigtige i disse materialer, " sagde Drisdell. "Tilterne øger båndgabet betydeligt i forhold til, hvad vi forudsiger for en ordnet struktur. Før dette, lidt var kendt om den lokale struktur af disse blandede materialer, og hvordan den struktur påvirker de storskalaegenskaber, der er vigtige for effektive solcelleanlæg. Vi mener, at dette arbejde er en milepæl, der muliggør betydelige fremskridt i forståelsen af ​​perovskit-fotovoltaiske materialer."

Dette arbejde, finansieret gennem Joint Center for Artificial Photosynthesis, belyser den kemiske struktur og dynamik i fotovoltaiske materialer, og kunne føre til forbedrede designs, der maksimerer solenergikonvertering. JCAP er en energiinnovationshub støttet af DOE's Office of