Undersøgelse afslører ny indsigt i, hvordan hybride perovskit-solceller fungerer

Forskere har fået ny indsigt i et grundlæggende mysterium om hybride perovskitter, billige materialer, der kunne forbedre eller endda erstatte konventionelle solceller lavet af silicium.

Under et mikroskop, en skive perovskit ligner en abstrakt mosaik af tilfældige krystalkorn. Mysteriet er, hvordan dette kludetæppe af lille, uperfekte korn kan omdanne sollys til elektricitet lige så effektivt som en enkelt krystal af rent silicium.

En nylig undersøgelse foretaget af forskere ved Stanford University og Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory giver nye spor. Skriver i 15. marts udgave af Avancerede materialer , forskerne giver en ny forståelse af, hvordan elektriske ladninger adskiller sig i perovskitter et par milliarddeler af et sekund efter optagelse af lys, det afgørende første skridt i at generere en elektrisk strøm.

Undersøgelsen er den første til at undersøge den indre funktion af hybrid perovskitter i atomskala ved hjælp af laserpulser, der matcher intensiteten af ​​solstråling, og dermed efterligne naturligt sollys. Forfatterne siger, at deres opdagelse kan føre til forbedringer i ydeevnen af ​​perovskit-solceller og en ny måde at undersøge deres funktionalitet på.

Perovskites og silicium

De fleste solceller i dag er lavet af renset silicium fremstillet ved temperaturer over 3, 000 grader Fahrenheit (1, 600 grader Celsius). Disse stive siliciumplader kan holde i årtier under alle slags vejrforhold.

Perovskite solceller, selvom det er langt mindre holdbart, er tyndere og mere fleksible end siliciumceller og kan fremstilles nær stuetemperatur fra en hybridblanding af billige organiske og uorganiske materialer, som jod, bly og methylammonium.

Forskere, herunder Stanford-medforfatter Michael McGehee, har vist, at perovskit-solceller er lige så effektive til at omdanne lys til elektricitet som kommercielt tilgængelige siliciumceller og endda kan overgå dem. Denne kombination af effektivitet, fleksibilitet og nem syntese har sat gang i et verdensomspændende kapløb om at udvikle kommercielle perovskiter, der kan modstå langvarig eksponering for varme og nedbør.

"Perovskitter er meget lovende materialer til fotovoltaik, "sagde hovedforfatter Burak Guzelturk, en postdoktor ved Stanford og SLAC. "Men folk undrer sig over, hvordan de kan opnå så høj effektivitet."

Elektroner og huller

Alle solceller fungerer efter samme princip. Fotoner af sollys absorberet af det krystallinske materiale sparker negativt ladede elektroner til en exciteret tilstand. De frigjorte elektroner efterlader positivt ladede rum eller "huller", der adskilles fra hinanden. Denne adskillelse giver anledning til en elektrisk strøm.

Ren silicium, med sin højtordnede atomstruktur, giver en direkte vej for elektroner og huller til at rejse gennem solcellen. Men med perovskites, vejen er langt fra jævn.

"Perovskitter er typisk fyldt med defekter, " sagde medforfatter Aaron Lindenberg, en lektor ved SLAC og Stanford og efterforsker ved Stanford Institute of Materials and Energy Sciences (SIMES). "De er ikke engang tæt på at være perfekte krystaller, alligevel ser de elektriske strømme ikke fejlene."

Terahertz -emission

Til studiet, forskerholdet brugte laserimpulser til at simulere bølger af sollys fra begge ender af det synlige lysspektrum – højenergi violet lys og lavenergi infrarødt lys. Resultaterne blev målt på picosekunders tidsskala. Et picosekund er en trilliontedel af et sekund.

"I de første picosekunder efter sollys rammer perovskitten, elektronerne og hullerne i det krystallinske gitter begynder at splitte, Lindenberg forklarede. "Separationen blev afdækket ved at måle emissionen af ​​højfrekvente terahertz-lysimpulser, der oscillerer en billion gange i sekundet fra perovskit-tyndfilmen. Det er første gang, nogen har observeret terahertz -emission fra hybridperovskitter. "

Terahertz-emissionen afslørede også, at elektroner og huller interagerer tæt med gittervibrationer i det krystallinske materiale. Denne interaktion, som sker på en femtosekunds tidsskala, kunne hjælpe med at forklare, hvordan elektriske strømme navigerer gennem patchwork af krystalkorn i hybridperovskitter.

"Når de elektriske ladninger adskilles, vi observerer en skarp stigning i terahertz-emissionen, matcher en vibrationstilstand af materialet, "Guzelturk sagde." Det giver os klare beviser for, at elektronerne og hullerne er stærkt forbundet med atomvibrationerne i materialet. "

Dette fund rejser muligheden for, at kobling til gittervibrationen kunne beskytte elektronerne og hullerne mod ladede defekter i perovskitten, skærmer den elektriske strøm, når den bevæger sig gennem solcellen. Lignende scenarier er blevet foreslået af andre forskerhold.

"Dette er en af ​​de første observationer af, hvordan den lokale atomstruktur af et hybridt perovskitmateriale reagerer i de første billioner af et sekund efter at have absorberet sollys, " sagde Lindenberg. "Vores teknik kunne åbne op for en ny måde at sondere en solcelle på lige når fotonen absorberes, hvilket er rigtig vigtigt, hvis du vil forstå og bygge bedre materialer. Den konventionelle måde er at sætte elektroder på enheden og måle strømmen, men det udvisker i det væsentlige alle de mikroskopiske processer, der er nøglen. Vores helt optiske, elektrodeløs tilgang med femtosekundtidsopløsning undgår dette problem."

Varme elektroner

Forskerne fandt også ud af, at terahertz-lysfelter er meget stærkere, når perovskit rammes af højenergiske lysbølger.

"Vi fandt ud af, at udstrålet terahertz-lys er størrelsesordener mere intens, når du exciterer elektronerne med violet lys versus lavenergi infrarødt lys, " sagde Lindenberg. "Det var et uventet resultat."

Denne opdagelse kunne give ny indsigt om højenergiske "varme" elektroner, sagde Guzelturk.

"Violet lys giver elektroner overskydende kinetisk energi, skabe varme elektroner, der bevæger sig meget hurtigere end andre elektroner, " sagde han. "Men disse varme elektroner mister deres overskydende energi meget hurtigt. "

At udnytte energien fra varme elektroner kan føre til en ny generation af højeffektive solceller, tilføjede Lindenberg.

"En af de store udfordringer er at finde en måde at fange den overskydende energi fra en varm elektron, før den slapper af, " sagde han. "Ideen er, at hvis du kunne udvinde strømmen forbundet med varme elektroner, før energien spredes, du kan øge solcellens effektivitet. Folk har argumenteret for, at det er muligt at skabe varme elektroner i perovskitter, der lever meget længere, end de gør i silicium. Det er en del af spændingen omkring perovskitter. "

Undersøgelsen viste, at i hybride perovskitter, varme elektroner adskiller sig hurtigere og mere effektivt fra huller end elektroner, der ophidses af infrarødt lys.

"For første gang kan vi måle, hvor hurtigt denne adskillelse sker, " sagde Lindenberg. "Dette vil give vigtige nye oplysninger om, hvordan man designer solceller, der bruger varme elektroner."

Toksicitet og stabilitet

Evnen til at måle terahertz-emissioner kan også føre til ny forskning i ikke-toksiske alternativer til konventionelle blybaserede perovskitter, sagde Guzelturk.

"De fleste af de alternative materialer, der overvejes, er ikke så effektive til at generere elektricitet som bly, " sagde han. "Vores resultater kan give os mulighed for at forstå, hvorfor blysammensætning fungerer så godt, mens andre materialer ikke gør det, og at undersøge nedbrydningen af ​​disse enheder ved at se direkte på atomstrukturen, og hvordan den ændrer sig."