Skinnende røntgenlys på perovskiter for bedre solceller

Opkaldt efter et mineral opdaget i Uralbjergene i Rusland, perovskites har taget i centrum som en klasse af materialer med egenskaber, der kan anvendes på fremtidige elektronik- og energienheder.

Halvledende film lavet af perovskites lover fleksibel, lette solceller, der er billige og let fremstillet af rigelige materialer. Selvom de endnu ikke er tilgængelige kommercielt – hindringer inkluderer at gøre dem mere stabile og holdbare – kan de transformere solenergiindustrien i løbet af det næste årti eller to.

For videnskabsmænd, perovskites præsenterer også et interessant puslespil:Start med et vilkårligt antal variationer af de grundlæggende ingredienser til fremstilling af dem – bly, jodid og methylammonium – og du ender med det samme grundmateriale. Endnu, justeringer af kemien på forskellige stadier i processen kan føre til perovskiter med mere ønskværdige kvaliteter til solceller.

For forskere ved Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) og Stanford University, perovskitternes mysterium og potentiale mødes i eksperimenter, hvor ekstremt skarpe røntgenstråler bruges til at studere materialets kemi i netop de øjeblikke, det bliver dannet. DOE Office of Science brugerfacilitet på SLAC National Accelerator Laboratory tilbyder flere måder at gribe problemet an på og opdage ny indsigt om dette nyttige materiale.

Vi spurgte SSRL-medarbejderne Christopher Tassone og Kevin Stone, Stanford Chemistry Ph.D. studerende Aryeh Gold-Parker og Michael Toney, leder af SSRL materialevidenskabsafdelingen, hvad de for nylig fandt ud af om perovskit-kemi, og hvor de håber, at deres arbejde vil føre hen.

Deres forskning blev offentliggjort i dag i Naturkommunikation .

Hvordan laves perovskiter, og hvad interesserer dig ved denne proces?

Sten:Du starter med at opløse nogle basisingredienser i et opløsningsmiddel. Så deponerer du opløsningen og tørrer den til en film. Filmen omdannes derefter til den endelige perovskit ved en behandling såsom udglødning, hvilket går ud på at opvarme det til en bestemt temperatur og derefter afkøle det igen. Vi er interesserede i kemien i hele processen, og hvordan den udvikler sig på hvert trin. Ideen er, at hvis du kan forstå, hvad vi kalder "dannelseskemien" af perovskitter, du kan skabe materialerne, så de har præcis de egenskaber, du ønsker.

Gold-Parker:Der er snesevis af forskellige metoder til at deponere perovskitfilm, for eksempel. Og disse metoder fører til forskelle i tykkelse, struktur, kornstørrelse og krystallinitet af filmene. I laboratoriet, at skabe perovskiter med karakteristiske egenskaber sker for det meste gennem forsøg og fejl. Ingeniører foretager små ændringer i processen for at optimere den særlige ejendom, de er interesseret i, uanset om det er solcellespænding eller ydeevne. Prøv og fejl kan virke, men det er ikke effektivt.

Tassone:Min gruppe er virkelig interesseret i, hvordan vi laver store mængder solpaneler meget billigt for at imødekomme stigende krav til solenergi og mål om ren energi. Konventionelle siliciumsolceller kan ikke fremstilles hurtigt nok. Vi mener, at hvis vi kan forstå de kemiske transformationer, der sker under processen med at fremstille perovskit-solceller, vi kan i sidste ende udvikle bedre processer, der opfylder industriens behov.

Hvad handlede din seneste undersøgelse om?

Gold-Parker:Vores undersøgelse bygger på arbejde fra andre grupper af forskere ved Oxford, Cornell og Stanford, der viste at bruge klor i behandlingen, kan føre til højkvalitets perovskitfilm med imponerende ydeevne. Efter opløsningen er aflejret, er der et mellemtrin, hvor der dannes en krystallinsk film – vi kalder dette en precursor – og derefter forlader et gasformigt salt af klor kaldet methylammoniumchlorid (MACI) filmen konstant, mens den omdannes til en perovskit. Et par år siden, en SSRL undersøgelse af mig selv, Toney og kolleger viste, at der er meget lidt klor tilbage i det endelige produkt. Selvom du starter med ret meget klor, langt størstedelen af ​​det går tabt i behandlingen.

Stone:I denne seneste undersøgelse ønskede vi at vide:Hvor bliver kloren af, og hvilket formål tjener det? Hvorfor klor i første omgang? Hvad består forløberen af, og hvordan påvirker det denne transformation?

Hvad fandt du ud af?

Stone:Vi var i stand til at finde ud af, hvad strukturen af ​​den krystallinske forløber er, hvordan atomerne er sat sammen, og nogenlunde hvor meget klor der er til stede. Når vi varmer det op under udglødningsfasen, vi ser, at krystallinsk precursor varer ved i et stykke tid, før den begynder at omdannes til perovskit.

Gold-Parker:Vi var også i stand til at vise, at transformationen til den endelige perovskit er begrænset af den gradvise fordampning af MACl, og at denne langsomme transformation faktisk kan føre til et perovskitmateriale af højere kvalitet.

Toney:Der er også bredere implikationer. Teoriberegninger kan med god nøjagtighed fortælle dig, hvilke egenskaber dit materiale vil have. Men de giver næsten ingen vejledning om, hvordan man syntetiserer det. Dette spørgsmål har drevet interessen for det videnskabelige samfund gennem mange årtier, men endnu mere i de sidste fem år, i det, der er blevet kaldt syntesevidenskab:at forstå, hvordan du rent faktisk laver noget. Hvad er de processer, som materialet gennemgår, stierne? Denne undersøgelse er et meget godt eksempel på at være i stand til at adskille den synteseproces, og som et resultat få indsigt i, hvordan vi kunne redesigne det.

Hvordan studerede du det?

Tassone:Vi brugte flere versioner af to teknikker kaldet røntgenspredning og røntgenspektroskopi. Røntgenspredning bruges til at studere struktur; den fortæller dig, hvor atomerne er placeret i krystallinske materialer. Røntgenspektroskopi er en komplementær teknik. Den fortæller dig om filmens kemi, hvor meget af de forskellige kemiske grundstoffer er til stede, og hvordan de er bundet.

Gold-Parker:Disse metoder gjorde det muligt for os at undersøge ændringer i krystalstrukturen og mængden af ​​klor under hele transformationen, samt klorens kemiske tilstand. Og meget vigtigt, vi brugte hver af disse teknikker in situ – eller som ændringerne rent faktisk sker. SSRL har kapaciteter i verdensklasse til at designe og udføre denne slags in situ eksperimenter, der overvåger den faktiske proces i stedet for kun start- og slutpunkterne, og det var virkelig stærkt.

Tassone:Det, der gør dette resultat og vores tilgang meget stærk, er, at vi bruger fortolkningen af ​​spredningsdataene til at informere fortolkningen af ​​spektroskopidataene, og omvendt. Vi ville ikke have løst denne mekanisme uden at flytte disse ting sammen. I papiret udstikker vi en klar vej for alle, der ønsker at studere de processer, der er involveret i fremstillingen af ​​dette eller andre materialer. Dette er et vigtigt skridt i perovskites forskning, men også i det bredere felt af syntesevidenskab, som Mike beskrev.

Hvad er det næste?

Stone:Jeg vil gerne studere, hvad der sker i opløsningen, før den tørrer, altså på et tidligere tidspunkt i processen. Jeg vil også gerne udvide vores metoder til at omfatte andre perovskitmaterialer.

Toney:Et andet punkt at forfølge er relateret til rollen som klor, der er til stede i filmen i dette specifikke eksempel. Det tjener som en mediator eller regulator, og det bremser konverteringen. Hvordan fungerer dette generelle begreb om en mediator – en forbindelse, der tjener et formål, men ikke ender i dit endelige materiale – i denne proces eller andre processer eller materialer? Silicium er blevet undersøgt i mindst 50 år, perovskites for fem, så vi har en masse arbejde foran os.

Tassone:Jeg har to punkter for at komme videre. Den ene er, hvordan udvikler vi de processer, der vil fungere i stor skala og tillade solenergi at være overkommelig for alle og virkelig have stor indflydelse på vores energilandskab? Den anden er, baseret på det faktum, at perovskites er den mest spændende halvlederudvikling i det sidste årti eller to, hvordan kan vi også bruge dette materiales unikke egenskaber til andre applikationer?