At se atomer bevæge sig i hybride perovskitkrystaller afslører spor til forbedring af solceller

Et team af forskere ledet af University of California San Diego har for første gang observeret ændringer i nanoskala dybt inde i hybride perovskitkrystaller, der kan give ny indsigt i udvikling af billige, højeffektive solceller.

Ved hjælp af røntgenstråler og lasere, forskere undersøgte, hvordan en ny lovende klasse af solcellematerialer, kaldet hybrid perovskites, opfører sig på nanoskalaniveau under drift. Deres eksperimenter viste, at når der påføres spænding, ioner migrerer i materialet, skabe regioner, der ikke længere er så effektive til at omdanne lys til elektricitet.

"Ionmigrering skader ydeevnen af ​​det lysabsorberende materiale. At begrænse det kan være en nøgle til at forbedre kvaliteten af ​​disse solceller, sagde David Fenning, en professor i nanoteknik og medlem af Sustainable Power and Energy Center ved UC San Diego.

Holdet, ledet af Fenning, omfatter forskere fra AMOLF Institute i Holland og Argonne National Laboratory. Forskere publicerede deres resultater i Avancerede materialer .

Hybride perovskitter er krystallinske materialer lavet af en blanding af både uorganiske og organiske ioner. De er lovende materialer til fremstilling af næste generations solceller, fordi de er billige at fremstille og er betydeligt effektive til at omdanne lys til elektricitet.

Imidlertid, hybridperovskitter er ikke særlig stabile, hvilket kan gøre dem svære at studere. Mikroskopiske teknikker, der typisk bruges til at studere solceller, ender ofte med at beskadige hybridperovskitterne eller kan ikke se ud over deres overflader.

Nu, et team ledet af UC San Diego har vist, at ved at bruge en teknik kaldet nanoprobe X-ray fluorescens, de kan sondere dybt ind i hybridperovskitmaterialer uden at ødelægge dem. "Dette er et nyt vindue til at kigge ind i disse materialer og se præcis, hvad der går galt, " sagde Fenning.

Forskerne undersøgte en type hybrid perovskit kaldet methylammonium blybromid, som indeholder negativt ladede bromioner. Ligesom andre hybride perovskitter, dens krystallinske struktur indeholder mange ledige stillinger, eller manglende atomer, som er blevet mistænkt for at tillade ioner at bevæge sig let inden i materialet, når en spænding påføres.

Forskerne udførte først nanoprobe-røntgenfluorescensmålinger på krystallerne for at skabe højopløselige kort over atomerne inde i materialet. Kortene afslørede, at når der påføres spænding, bromionerne migrerer fra negativt ladede områder til positivt ladede områder.

Næste, forskerne skinnede med en laser på krystallerne for at måle en egenskab kaldet fotoluminescens - materialets evne til at udsende lys, når det exciteres af en laser - i forskellige områder af krystallerne. Et godt solcellemateriale udsender lys meget godt, så jo højere fotoluminescens, jo mere effektiv skal solcellen være. Områderne med højere bromkoncentrationer havde op til 180 procent højere fotoluminescens end områder, der var udtømt for bromioner.

"Vi ser bromionerne migrere inden for få minutter og ser, at de resulterende bromrige områder har potentialet til at blive bedre solceller, mens ydeevnen forringes i bromfattige områder, " sagde Fenning. Fenning og hans team undersøger nu måder at begrænse brommigrering i methylammoniumblybromid og andre hybridperovskitter. Forskere siger, at en potentiel mulighed ville være at dyrke hybridperovskitkrystaller under forskellige forhold for at minimere antallet af ledige stillinger og begrænse ionmigrering i den krystallinske struktur.