Røntgenstråler afslører in situ krystalvækst af blyfrie perovskit solpanelmaterialer

Blybaserede perovskitter er meget lovende materialer til produktion af solpaneler. De omdanner effektivt lys til elektricitet, men de har også nogle store ulemper:de mest effektive materialer er ikke særlig stabile, mens bly er et giftigt element. Forskere ved University of Groningen undersøger alternativer til blybaserede perovskitter. To faktorer, der signifikant påvirker effektiviteten af ​​disse solceller, er evnen til at danne tynde film og strukturen af ​​materialerne i solcellerne. Derfor, det er meget vigtigt at undersøge in situ, hvordan blyfrie perovskitkrystaller dannes, og hvordan krystalstrukturen påvirker solcellernes funktion. Resultaterne af undersøgelsen blev offentliggjort i tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer den 31. marts.

Fotovoltaiske celler, der er baseret på hybrid -perovskitter, blev først introduceret i 2009 og blev hurtigt næsten lige så effektive som standard siliciumsolceller. Disse materialer har en meget karakteristisk krystalstruktur, kendt som perovskitstrukturen. I en idealiseret kubisk enhedscelle, anioner danner en oktaeder omkring en central kation, mens kubens hjørner er optaget af andre, større kationer. Forskellige ioner kan bruges til at skabe forskellige perovskitter.

Spin belægning

De bedste resultater i solceller er opnået ved hjælp af perovskitter med bly som den centrale kation. Da dette metal er giftigt, tin-baserede alternativer er blevet udviklet, for eksempel, formamidinium tin -iodid (FASnI ₃ ). Dette er et lovende materiale; imidlertid, den mangler stabilitet i nogle af de blybaserede materialer. Der er gjort forsøg på at blande 3D-FASnI ₃ krystaller med lagdelte materialer, indeholdende det organiske kation phenylethylammonium (PEA). "Min kollega, Professor Maria Loi, og hendes forskerhold viste, at tilføjelse af en lille mængde af denne PEA producerer et mere stabilt og effektivt materiale, "siger adjunkt Giuseppe Portale." Dog, tilføjer meget af det reducerer solcelleeffektiviteten. "

Det er her Portale kommer ind. Perovskitter er blevet undersøgt i lang tid af professor i fotofysik og optoelektronik Maria Loi, mens Portale udviklede en røntgendiffraktionsteknik, der giver ham mulighed for at studere den hurtige dannelse af tynde film i realtid under spin-coating fra opløsning. I en laboratorieskala, perovskitfilmene er generelt fremstillet ved centrifugering, en proces, hvor en precursor-løsning leveres på et hurtigt roterende substrat. Krystaller vokser, når opløsningsmidlet fordamper. Ved beamline BM26B-DUBBLE ved European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Grenoble, Frankrig, Portale undersøgte, hvad der sker under dannelsen af ​​tin-perovskitfilm.

Grænseflade

"Vores første idé, som var baseret på ex situ undersøgelser, var, at de orienterede krystaller vokser fra substratoverfladen opad, "Forklarer Portale. Men in situ -resultaterne viste det modsatte:krystaller begynder at vokse ved luft/opløsning -grænsefladen. Under hans forsøg, han brugte 3-D FASnI ₃ med tilføjelse af forskellige mængder af 2-D PEASnI ₄ . I den rene 3D-perovskit, krystaller begyndte at dannes ved overfladen, men også i hovedparten af ​​opløsningen. Imidlertid, tilsætning af en lille mængde af 2-D-materialet undertrykte bulk-krystallisation, og krystallerne voksede kun fra grænsefladen.

"PEA -molekyler spiller en aktiv rolle i perovskiternes forløberopløsning, stabilisering af væksten af ​​orienterede 3-D-lignende krystaller gennem koordination ved krystalets kanter. I øvrigt, PEA -molekyler forhindrer kimdannelse i bulkfasen, så krystalvækst finder kun sted ved luft/opløsningsmiddelgrænsefladen, "Portale forklarer. De resulterende film er sammensat af justerede 3-D-lignende perovskitkrystaller og en minimal mængde 2-D-lignende perovskit, placeret i bunden af ​​filmen. Tilsætning af lave koncentrationer af 2-D-materialet producerer et stabilt og effektivt fotovoltaisk materiale, mens effektiviteten falder dramatisk ved høje koncentrationer af dette 2-D-materiale.

Isolator

Forsøgene fra Portale og Loi kan forklare denne observation:"Den 2-D-lignende perovskit er placeret ved substrat/film-grænsefladen. Forøgelse af indholdet af 2-D-materialet til over en vis mængde forårsager dannelsen af ​​en udvidet 2- D-lignende organisk lag, der fungerer som en isolator, med skadelig virkning for enhedens effektivitet. "Konklusionen på undersøgelsen er, at dannelsen af ​​dette isolerende lag skal forhindres for at opnå en yderst effektiv og stabil tinbaseret perovskit." Næste trin er at realisere dette, for eksempel ved at lege med opløsningsmidler, temperatur eller specifikke perovskit/substrat -interaktioner, der kan bryde dannelsen af ​​dette tykke isolerende lag. "