Kemikere løser oprindelsen til perovskit ustabilitet

Forskere i Cava -gruppen ved Princeton University Department of Chemistry har afmystificeret årsagerne til ustabilitet i en uorganisk perovskit, der har tiltrukket stor opmærksomhed for dets potentiale i at skabe yderst effektive solceller.

Ved hjælp af enkeltkrystal røntgendiffraktion udført på Princeton University og røntgenparfordelingsfunktionsmålinger udført på Brookhaven National Laboratory, Princeton Department of Chemistry forskere opdagede, at kilden til termodynamisk ustabilitet i halogenidperovskitcæsium blyiodid (CsPbI3) er det uorganiske cæsiumatom og dets "raslende" adfærd inden for krystalstrukturen.

Røntgendiffraktion giver en klar eksperimentel signatur af denne bevægelse.

Forskningen, "Forståelse af ustabiliteten af ​​Halide Perovskite CsPbI ₃ gennem temperaturafhængig strukturanalyse, "vil blive offentliggjort i næste uge i tidsskriftet Avancerede materialer .

Daniel Straus, en postdoktor i Cava Group og hovedforfatter på papiret, forklaret, at mens cæsium indtager et enkelt sted i strukturen ved temperaturer under 150 K, det "deler" sig i to steder over 175 K. Sammen med andre strukturelle parametre, dette tyder på tegn på cæsiums raslende adfærd inden for dets jodkoordineringspolyhedron.

Ud over, det lave antal cæsium-jod-kontakter i strukturen og den høje grad af lokal oktaedrisk forvrængning bidrager også til ustabiliteten.

I forskningen, enkrystalmålingerne karakteriserede materialets gennemsnitlige struktur. På Brookhaven, røntgenparfordelingsfunktionen tillod forskere at bestemme strukturens adfærd på enhedscellens længdeskala. (En enhedscelle er den mindste gentagne enhed i en krystal.) Det er på dette lokale niveau, at den høje grad af oktaedrisk forvrængning blev tydelig, sagde Straus.

Metastabilitet ved stuetemperatur for CsPbI ₃ har længe været en kendt faktor, men det var ikke tidligere blevet forklaret.

"At finde en forklaring på et problem, som så mange mennesker i forskningsmiljøet er interesseret i, er fantastisk, og vores samarbejde med Brookhaven har været over fantastisk, "sagde Robert Cava, Russell Wellman Moore, professor i kemi, en ekspert i syntese og struktur-egenskabskarakterisering.

"Bemærkelsesværdig" effektivitet

I øjeblikket, den dominerende halogenidperovskit i applikationer til konvertering af solenergi er baseret på methylammonium blyiodid, et organisk-uorganisk hybridmateriale, der er blevet inkorporeret i solceller med certificeret effektivitet på 25,2%; dette konkurrerer med effektiviteten af ​​kommercielle siliciumsolceller. Selvom denne "bemærkelsesværdige" effektivitet driver interesse, methylammonium blyiodid lider af ustabilitetsproblemer, der menes at stamme fra den flygtige karakter af den organiske kation. For at rette op på dette problem, forskere har forsøgt at erstatte den organiske kation med uorganisk cæsium, hvilket er betydeligt mindre flygtigt.

Imidlertid, i modsætning til methylammonium blyiodid, perovskitfasen af ​​cæsium blyiodid er metastabil ved stuetemperatur.

"Hvis du vil lave en solcelle med umodificeret cæsium blyiodid, det bliver meget svært at omgå dette og stabilisere dette materiale, "sagde Straus." Du er nødt til at finde en måde at stabilisere det på, der virker omkring det faktum, at dette cæsiumatom er lidt for lille. Der er et par måder, folk har forsøgt at kemisk modificere CsPbI3, og de fungerer okay. Men det nytter ikke bare at prøve at lave solceller ud af dette bulkmateriale uden at gøre fancy ting ved det. "

Detaljerede strukturelle oplysninger i papiret foreslår metoder til at stabilisere perovskitfasen af ​​CsPbI ₃ og dermed forbedre stabiliteten af ​​halogenidperovskit solceller. Papiret afslører også begrænsningerne ved tolerancefaktormodeller ved forudsigelse af stabilitet for halogenidperovskitter. De fleste af disse modeller forudsiger i øjeblikket, at CsPbI ₃ skal være stabil.

På Brookhaven Lab

En teknik kendt som en parfordelingsfunktionsmåling, som beskriver fordelingen af ​​afstande mellem atomer, hjalp Princeton -forskerne med at forstå ustabiliteten yderligere. Brug af Brookhaven's Pair Distribution Function (PDF) beamline på National Synchrotron Light Source II, lead beamline scientist Milinda Abeykoon worked with samples of thermodynamically unstable CsPbI ₃ , which he received from the Cava Lab in several sealed glass capillaries inside a container filled with dry ice.

Measuring these samples was challenging, said Abeykoon, because they would decompose quickly once removed from the dry ice.

"Thanks to the extremely bright X-ray beam and large area detectors available at the PDF beamline, I was able to measure the samples at multiple temperatures below 300 K before they degraded, " said Abeykoon. "When the X-ray beam bounces off the sample, it produces a pattern characteristic of the atomic arrangement of the material. This gives us the possibility to see not only what is happening at the atomic scale, but also how the material behaves in general in one measurement."

Cava lauded the 45-year relationship he has had with Brookhaven, which began with experiments he completed there for his Ph.D. thesis in the 1970s. "We have had several great collaborations with Brookhaven, " han sagde.