Neutroner giver indsigt i øget ydeevne for hybride perovskit-solceller

Neutronspredning har afsløret, i realtid, de grundlæggende mekanismer bag omdannelsen af ​​sollys til energi i hybride perovskitmaterialer. En bedre forståelse af denne adfærd vil gøre det muligt for producenterne at designe solceller med øget effektivitet.

Det multi-institutionelle team af forskere fra Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, Hunan University og University of Nebraska-Lincoln brugte fotoluminescensmålinger, sammen med neutron- og røntgenspredning, at studere sammenhængen mellem materialets mikroskopiske struktur og dets optoelektroniske egenskaber. Ved at undersøge materialet under forskellige grader af temperatur, forskerne var i stand til at spore atomare strukturelle ændringer og fastslå, hvordan hydrogenbinding spiller en nøglerolle i materialets ydeevne. Deres resultater er offentliggjort i tidsskriftet Avancerede materialer .

Hybride perovskiter lover at være mere effektive til at omdanne lys til energi end traditionelle solcellematerialer. De er også nemmere at fremstille, da de kan spindestøbes fra opløsning og ikke kræver højvakuumkamre til syntese.

I modsætning til deres enestående silicium eller germanium modstykker, hybrid perovskites er lavet af både organiske og uorganiske molekyler. Strukturen er bygget af uorganiske bly- og brommolekyler arrangeret i oktaedriske enheder, der danner bure omkring de organiske methylammoniumkationer (positivt ladede ioner) bestående af kulstof, nitrogen og brint.

"Fordelen ved at have både organiske og uorganiske molekyler i en veldefineret krystalstruktur betyder, at vi kan skræddersy materialet ved at tune enten den ene gruppe eller den anden for at optimere egenskaberne, " sagde Kai Xiao, en forsker ved ORNL's Center for Nanophase Materials Sciences. "Men selvom forskere har studeret disse materialer i flere år, vi forstår stadig ikke helt på et grundlæggende niveau, hvordan de organiske komponenter påvirker egenskaberne."

At finde den rigtige kombination og molekylære orientering af de organiske/uorganiske komponenter er nøglen til at låse op for mere funktionalitet, men at forstå disse interaktioner kræver de rigtige værktøjer.

"Neutroner er meget gode til dette, fordi de er følsomme over for lettere grundstoffer som brint, " sagde ORNL instrument videnskabsmand Xiaoping Wang. "Fordi vi er i stand til at spore hver neutron, vi får information om ting som hvor atomerne er, hvad deres temperatur er, og hvordan de opfører sig."

Ved at bruge TOPAZ-instrumentet ved ORNL's Spallation Neutron Source, holdet var i stand til at observere hydrogenbindingsinteraktionerne på atomær skala.

Eksperimentet afslørede, at materialet gennemgår betydelige strukturelle ændringer mellem cirka 150 og 130 Kelvin (omkring -190 og -225 grader Fahrenheit). Afkøling af materialet bremsede bevægelsen af ​​den organiske komponent til en ordnet tilstand, hvor der blev foretaget præcise in situ-målinger i realtid for at observere præcis, hvordan de organiske molekyler bindes til bly-brom-komponenten gennem hydrogenbindinger.

"Vi så, at ordren er direkte relateret til hydrogenbindingen i strukturen, og hvordan eventuelle ændringer kan påvirke materialets energigab, " sagde Wang. "Det fortæller os, hvor godt sollys absorberes, og hvad det kan betyde i forhold til anvendelser for solcellematerialer."

Komplementære fotoluminescens- og røntgenspredningsmålinger, sammen med krystalsyntese, blev udført på CNMS. Teoretiske beregninger blev udført af forskere i ORNL's Materials Science and Technology Division.

"Hybride perovskiter er allerede et godt materiale, " sagde Xiao. "Nu hvor vi ved, hvordan orienteringen af ​​de organiske molekyler påvirker krystalstrukturen, og hvordan vi kan justere dem yderligere for at ændre de ønskede egenskaber, denne nye grundlæggende forståelse vil gøre os i stand til at designe nye materialer med endnu større potentiale."