Solcellemateriale klarer sig bedre under tryk

Solceller fremstillet af en kombination af silicium og perovskit – især varianten med blandede halogenider som jod og brom – kan være mere effektive og billigere end traditionelle siliciumsolceller, fordi de omdanner en større del af sollyset til elektricitet. Imidlertid, perovskitter nedbrydes under påvirkning af lys, og derfor kan de endnu ikke bruges til kommercielle applikationer. Substitution af kationen (positivt ladet ion) i strukturen forbedrer materialets stabilitet. Forskere fra AMOLF har nu afsløret, at denne forbedring skyldes komprimering af strukturen, kan sammenlignes med at lægge et betydeligt pres på det. De har offentliggjort deres resultater i Cell Rapporter Fysisk Videnskab .

Kemisk intuition

En perovskit består af en blyion omgivet af halogenider, såsom jod og bromioner. Dette danner en 3-D struktur med bure, der er fyldt med en kation såsom methylammonium. Problemet er, at hvis strukturen er belyst, der opstår separate områder i materialet, hvor der enten hovedsageligt forekommer jodioner eller hovedsageligt bromioner. Fordelen ved jod-brom-blandingen i perovskitterne går derefter tabt:en stor del af lysspektret omdannes til varme i stedet for elektricitet.

Eline Hutter, uddannet kemiker og indtil i år forsker ved AMOLF, troede, at den spontane adskillelse af halogeniderne kunne forhindres ved at udsætte materialet for højt tryk. "Dengang Jeg vidste ikke lige hvorfor. Jeg kaldte det kemisk intuition."

Udfordrende eksperimenter

Hybrid Solar Cells-gruppen hos AMOLF udviklede tidligere et setup, der var meget nyttigt i dette tilfælde:et transient absorptionsspektrometer (TAS), der kan måle de elektroniske egenskaber af perovskitter under meget højt tryk. "Der er ikke noget andet sammenligneligt setup, der kombinerer TAS med en trykcelle i verden, " siger gruppeleder Bruno Ehrler. "Men jeg var i starten skeptisk over for Elines idé, dels fordi eksperimenter, som vi skulle lave, virkede for udfordrende."

Sammen med sin kollega Loreta Muscarella, Eline Hutter brugte denne opsætning til at måle, hvad der sker, efter at materialet er blevet belyst. "Hvis der ikke er noget pres på materialet, vi observerer en adskillelse af brom og jod. Under 3000 bar tryk, vi ser, at adskillelse ikke længere forekommer."

Praktisk løsning

Dette resultat bekræftede Hutters hypotese om, at det frie volumen i materialet, og dermed trykket, spiller en afgørende rolle i adskillelsen af ​​halogeniderne. At producere en solcelle, der er under så højt et tryk, er upraktisk. Imidlertid, der er en praktisk løsning, forklarer Hutter. "Hvis vi erstatter kationen i perovskittens bure med en mindre kation såsom cæsium, der sker en såkaldt kemisk sammentrækning. Hele strukturen krymper, ligesom jord, der tørrer ud og trækker sig sammen. Effekten er nøjagtig den samme som at udsætte materialet for højt tryk."

Hutter og hendes kolleger brugte efterfølgende TAS til at demonstrere, at i denne kemisk komprimerede perovskit, separationen af ​​jod og brom forekom ikke længere. Med dette, de viste, at et glemt aspekt af teorien er vigtigt:materialets volumen var tidligere udelukket fra beregningerne, siger Hutter. "Efter min mening, Det, der gør denne forskning så interessant, er sammenhængen mellem det ydre og indre pres."

Dette er en vigtig opdagelse for at gøre perovskitter stabile, siger Ehrler. "Fokus har mest været på kinetikken:at forsinke ionernes bevægelse for at bremse adskillelsen. Nu har vi vist, at øget tryk, ændrer termodynamikken:ionerne bevæger sig lige så hurtigt, men jod- og bromadskillelsen er ikke længere energetisk gunstig. Så den adskillelse sker ikke længere."