Laserfordampningsteknologi til at skabe nye solmaterialer

Materialeforskere ved Duke University har udviklet en metode til at skabe hybride tyndfilmsmaterialer, som ellers ville være svære eller umulige at lave. Teknikken kan være porten til nye generationer af solceller, lysdioder og fotodetektorer.

Forskerholdet beskrev deres metoder 22. december, 2017 i bladet ACS Energibreve .

Perovskites er en klasse af materialer, der - med den rigtige kombination af elementer - har en krystallinsk struktur, der gør dem særligt velegnede til lysbaserede applikationer. Deres evne til at absorbere lys og overføre dets energi effektivt gør dem til et fælles mål for forskere, der udvikler nye typer solceller, for eksempel.

Den mest almindelige perovskit, der bruges i solenergi i dag, methylammonium blyiodid (MAPbI3), kan konvertere lys til energi lige så godt som nutidens bedste kommercielt tilgængelige solpaneler. Og den kan gøre det ved at bruge en brøkdel af materialet - en splint 100 gange tyndere end en typisk siliciumbaseret solcelle.

Methylammonium blyiodid er en af ​​de få perovskitter, der kan fremstilles ved hjælp af standard industriproduktionsteknikker, selvom det stadig har problemer med skalerbarhed og holdbarhed. For virkelig at låse op for potentialet ved perovskites, imidlertid, nye fremstillingsmetoder er nødvendige, fordi blandingen af ​​organiske og uorganiske molekyler i en kompleks krystallinsk struktur kan være svær at lave. Organiske elementer er særligt sarte, men er afgørende for hybridmaterialets evne til at absorbere og udsende lys effektivt.

"Methylammonium blyiodid har en meget enkel organisk komponent, men er en meget højtydende lysabsorber, " sagde David Mitzi, Simon Family Professor i maskinteknik og materialevidenskab ved Duke. "Hvis vi kan finde en ny fremstillingstilgang, der kan bygge mere komplekse molekylære kombinationer, det vil åbne nye kemiområder for multifunktionelle materialer."

I den nye undersøgelse, Mitzi slår sig sammen med kollega Adrienne Stiff-Roberts, lektor i elektro- og computerteknik ved Duke, at demonstrere netop en sådan fremstillingstilgang. Teknikken kaldes Resonant Infrared Matrix-Assisted Pulsed Laser Evaporation, eller RIR-MAPLE for kort, og blev udviklet af Stiff-Roberts hos Duke i løbet af det sidste årti.

Tilpasset fra en teknologi opfundet i 1999 kaldet MAPLE, Teknikken går ud på at fryse en opløsning indeholdende de molekylære byggesten til perovskitten, og derefter sprænge den frosne blok med en laser i et vakuumkammer.

Når en laser fordamper et lille stykke af det frosne mål på størrelse med en fordybning på en golfbold, dampen bevæger sig opad i en fane, der dækker bunden af ​​enhver genstand, der hænger over hovedet, såsom en komponent i en solcelle. Når nok af materialet er opbygget, processen stoppes, og produktet opvarmes for at krystallisere molekylerne og sætte den tynde film på plads.

I Stiff-Roberts' version af teknologien, laserens frekvens er specifikt indstillet til molekylebindingerne i det frosne opløsningsmiddel. Dette får opløsningsmidlet til at absorbere det meste af energien, efterlader de sarte organiske stoffer uskadt, når de rejser til produktets overflade.

"RIR-MAPLE teknologien er ekstremt skånsom over for de organiske komponenter i materialet, meget mere end andre laserbaserede teknikker, " sagde Stiff-Roberts. "Det gør det også meget mere effektivt, kræver kun en lille del af de organiske materialer for at nå det samme slutprodukt."

Selvom der endnu ikke er nogen perovskit-baserede solceller tilgængelige på markedet, der er nogle få virksomheder, der arbejder på at kommercialisere methylammonium blyiodid og andre nært beslægtede materialer. Og mens materialerne fremstillet i denne undersøgelse har solcelleeffektiviteter bedre end dem, der er fremstillet med andre laserbaserede teknologier, de når endnu ikke dem, der er lavet med traditionelle løsningsbaserede processer.

Men Mitzi og Stiff-Roberts siger, at det ikke er deres mål.

"Mens løsningsbaserede teknikker også kan være skånsomme over for organiske stoffer og kan lave nogle fantastiske hybride solcellematerialer, de kan ikke bruges til mere komplekse og dårligt opløselige organiske molekyler, " sagde Stiff-Roberts.

"Med denne demonstration af RIR-MAPLE teknologien, vi håber at åbne en helt ny verden af ​​materialer til solcelleindustrien, " fortsatte Mitzi. "Vi tror også, at disse materialer kan være nyttige til andre applikationer, såsom lysemitterende dioder, fotodetektorer og røntgendetektorer."