Lysstyret strømtransport med ladede atomer demonstreret for første gang

Lys gør nogle materialer ledende på en tidligere uforudsete måde. I silicium solceller, elektroner flyder, når solen skinner. Imidlertid, forskere ved det Stuttgart-baserede Max Planck Institute for Solid State Research er nu kommet med en overraskelse:i en særlig perovskit, et andet materiale, der bruges til solceller, lys frigiver ikke kun elektroner, men også elektrisk ladede atomer, kendt som ioner. I øvrigt, denne nye fotoeffekt er ekstremt stor. Ionkonduktivitet steg med en faktor på hundrede. For solceller fremstillet af det undersøgte materiale her, den høje lysinducerede ionledningsevne er temmelig skadelig; konsekvenserne, imidlertid, kan nu specifikt modvirkes. Set fra forskernes synspunkt i Stuttgart, effekten er banebrydende i sig selv, som det gør roman, tænkelige lysstyrede elektrokemiske applikationer, f.eks. batterier, der er direkte opladet af lys.

Når det kommer til effektivitet, silicium solceller sætter standarder. Men især for fotovoltaiske elementer med særlig høj effektivitet, siliciumproduktion er både kompleks og dyr. Materialer omtalt som perovskitter, på grund af deres struktur, kunne tilbyde et billigere alternativ her. Et team af forskere under ledelse af Joachim Maier, Direktør ved Max Planck Institute for Solid State Research, har nu undersøgt, hvordan lys påvirker transporten af ​​elektricitet i disse materialer baseret på perovskit -methylammonium -blyiodid (MAPI). Deres interesse for disse materialer blev vakt under et samarbejde med Michael Grätzel, der forsker ved École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) og er eksternt videnskabeligt medlem af det i Stuttgart baserede Max Planck Institute.

I deres eksperimenter, forskerne observerede nu, at ioner, der er ladede atomer, bidrage til ledningsevne i uventet høj grad, når materialet belyses. I perovskite solceller, effekten kan føre til strukturelle ændringer og forringe effektiviteten. "Imidlertid, vores fund kan hjælpe med at forhindre sådanne aldringsprocesser, "siger Joachim Maier. For kemikeren, imidlertid, fænomenet som sådant er mest spændende primært fordi det skaber den grundlæggende mulighed for at frigive mobilioner ved hjælp af lys, nemlig de ladningsbærere, der transporterer elektricitet i elektrokemiske applikationer såsom batterier, brændselsceller eller elektrokemiske sensorer og kontakter.

At lys påvirker iontransport er kun tidligere blevet påvist i biologi:Belysning er i stand til indirekte at ændre permeabiliteten af ​​en cellemembran. "Meget overraskende, imidlertid, er det faktum, at den ioniske ledning af krystallinske faste stoffer kan ændres direkte, og i hvilket omfang dette er muligt, "siger Joachim Maier. Hans team observerede, hvordan antallet af frie iodidioner blev øget med en faktor på hundrede. Ionisk ledning øges således i lignende omfang som det, der er kendt for lysinduceret elektronisk ledningsevne.

Forskerne i Stuttgart demonstrerede ikke kun fænomenet eksperimentelt. De kan også forklare det. Ifølge dem, lyset frigiver i første omgang elektroner, som det er sædvanligt i solceller. De negativt ladede elektroner efterlader positivt ladede huller i krystalgitteret, som fysikerne ville sige. Disse neutraliserer ellers negativt ladede iodidioner i krystallen. Fordi et uladet jodatom er meget mindre end et iodidion, den indtager et såkaldt mellemrum, det er, et ledigt rum i krystalgitteret, hvor den større iodidion ikke passer. De resulterende huller i krystalgitteret tillader ionledning på omtrent samme måde som elektronhuller tillader elektronledning. "Afgørende for denne effekt er, at der er en mekanisme, der oversætter hullerne, der skabes af lys direkte til ionisk ledningsevne, ”siger Joachim Maier.

Forskerne brugte forskellige metoder til at bevise effekten uden tvivl. I et indledende forsøg, de brugte elektriske kontakter til MAPI, der blokerede ioner, det er, de lod kun elektronerne passere. De brugte en bestemt strøm og målte spændingen. Hvis ioner er involveret i det aktuelle flow, spændingen skal stige efter kort tid, fordi de kun kan bevæge sig i starten, men blokeres derefter af kontakterne. Det var præcis, hvad forskerne i Stuttgart observerede.

Tydeligt tegn på ionisk ledning blev også leveret af spændingen målt i et åbent kredsløb, som blev genereret af forskerne ved hjælp af perovskitten som elektrolytfasen i en oplyst battericelle:hvis elektroner i materialet primært transporterede strøm, en kortslutning ville forekomme, og der ville ikke blive produceret nogen spænding. Imidlertid, ved hjælp af et ionisk ledende materiale som elektrolyt, den forventede batterispænding kan måles.

Forskerne demonstrerede direkte jodtransport i to yderligere forsøg. De udsatte den ene side af perovskitten for gasformigt jod. De fastgjorde en kobberfilm til den anden side, som fungerer som en såkaldt jodvaske på grund af dets tilbøjelighed til at reagere for at danne kobberiodid. Under belysning, denne proces fandt sted med meget høj hastighed. Transport af jod inden for perovskitprøven blev også påvist ved et forsøg, hvor toluen fungerede som en ydre vask for elementet. Forskerne demonstrerede spektroskopisk, at jodkoncentrationen i toluen steg, så snart perovskitten blev belyst.

Mekanismen observeret af forskerne i Stuttgart er reversibel, Maier understreger. Det ødelægger ikke materialet. Kun når perovskitmaterialet er i kontakt med et stof, der binder jod permanent, eller når jod slipper ud i atmosfæren, nedbrydes materialet over tid.

I den nærmeste fremtid, forskerne har ikke til hensigt at nøjes med kun at forstå nedbrydningsmekanismerne og i sidste ende forhindre dem. Hvad er vigtigere, ifølge Joachim Maier, er at undersøge selve effekten, fordi det repræsenterer en nyhed inden for solid-state forskning. "Vi vil undersøge andre materialer for at se, om lignende fænomener opstår, "siger Joachim Maier. Forskerne fokuserer også på spørgsmålet om, hvordan denne effekt kan udnyttes teknisk. For at gøre dette, de vil først udvikle ideer, f.eks. mod udnyttelse af lysstimuleret opbevaring, og søg derefter efter passende materialer til sådanne applikationer. "Jonisk ledningsevne repræsenterer et centralt fænomen i en energiforskningssammenhæng, "siger Joachim Maier." Men i mange henseender - især når det kommer til eksponering for lys - forbliver det terra incognita. "Max Planck -forskerne i Stuttgart har til hensigt at ændre dette.