Forskere udvikler nye materialer til energi og sansning

Et team af forskere fra MIT og Northwestern University har demonstreret evnen til at finjustere de elektroniske egenskaber af hybride perovskitmaterialer, som har vakt enorm interesse som potentielle næste generation af optoelektroniske materialer til enheder som solceller og lyskilder.

Materialerne er klassificeret som "hybride", fordi de indeholder uorganiske komponenter som metaller, samt organiske molekyler med grundstoffer som kulstof og nitrogen, organiseret i nanoskala lag. I et papir offentliggjort online i denne uge i Naturkemi , forskerne viste, at ved strategisk at variere sammensætningen af ​​de organiske lag, de kunne indstille farven på lys absorberet af perovskitten og også den bølgelængde, hvorved materialet udsendte lys. Vigtigt, de opnåede dette uden væsentligt at ændre den uorganiske komponent.

"Indtil nu, de fleste eksperimentelle og teoretiske beviser indikerede, at de organiske lag simpelthen fungerer som inerte afstandsstykker, hvis eneste rolle er at adskille de elektronisk aktive uorganiske lag, " siger Will Tisdale, ARCO karriereudviklingsprofessor i energistudier ved MIT og medkorresponderende forfatter på papiret. "Disse nye resultater viser, at vi kan lære det organiske lag at gøre meget mere."

"Vores laboratorium har været interesseret i design af nye hybridmaterialer, der kombinerer uorganiske og organiske komponenter for at skabe synergistiske egenskaber, og det er præcis, hvad vi har gjort i dette arbejde med de spændende energimaterialer kendt som perovskites, " siger Samuel Stupp, Bestyrelsen professor i kemi, Materialevidenskab og teknik, Medicin, og biomedicinsk teknik ved Northwestern og medkorresponderende forfatter på papiret.

Perovskitter, først opdaget som naturligt forekommende mineraler i Uralbjergene for næsten 200 år siden, er blevet undersøgt kraftigt i det sidste årti efter det blev fastslået, at de kunne gøre lys til brugbar elektricitet. Disse materialer betragtes som en mulig nøgle til en bæredygtig energifremtid, fordi de er billigere at fremstille end de populære siliciumbaserede solceller, og kan konvertere lys til elektricitet næsten lige så effektivt.

Imidlertid, perovskite solceller er langt mindre holdbare og stabile under udendørs forhold på grund af deres følsomhed over for varme og fugt. Forskere har for nylig fundet ud af, at opdeling af den traditionelle 3D-struktur af perovskiter i mange tynde lag - lige fra nogle få atomer tykke til snesevis af atomer tykke - forbedrer stabiliteten og ydeevnen.

I perovskitter i lag, det uorganiske lag absorberer lys og producerer de ladninger, der til sidst er nødvendige for at producere elektrisk energi. De organiske lag er typisk isolerende og fungerer som gigantiske vægge, der forhindrer de lysgenererede ladninger i at bevæge sig ud af det uorganiske lag.

"Dette samarbejde har været spændende, fordi de materialer, som Stupp-gruppen sendte til os fra Northwestern, var nøjagtigt i tråd med de spørgsmål, vi stillede på MIT, om hvordan excitoner i de uorganiske lag af perovskitten kunne påvirkes af de organiske lags egenskaber, " siger Katie Mauck, en tidligere postdoc i Tisdale-gruppen og nu adjunkt i kemi ved Kenyon College. Sammen med James Passarelli, en kandidatstuderende i Stupp -gruppen, hun er medforfatter af papiret. "James' modulære tilgang til perovskitsyntesen gjorde os i stand til kontrollerbart at tune interaktionen mellem disse lag og studere virkningerne på excitondynamikken i dybden, gennem spektroskopi i Tisdale-laboratoriet."

"Når lys absorberes af halvledere som perovskitter, elektroner med deres negative ladning får energi og bevæger sig væk, "Stupp siger." Dette skaber en attraktiv kraft med de positivt ladede websteder, de efterlader, da sagen ønsker at være neutral. Vi var i stand til at kontrollere størrelsen af ​​denne kraft ved at inkorporere specifikke typer molekyler i de organiske lag, hvilket igen ændrer deres interessante egenskaber."

Northwestern-MIT-samarbejdet begyndte efter et tilfældigt møde mellem Mauck og et Stupp-laboratoriemedlem på en videnskabelig konference i sommeren 2018. Stupp-laboratoriet havde tidligere udført banebrydende arbejde med syntesen af ​​uorganisk-organiske hybridmaterialer til potentielle anvendelser inden for energi og medicin, mens Tisdale-gruppen har specialiseret sig i at bruge lasere til at undersøge nanomaterialers egenskaber.

Disse interesser overlappede perfekt for dette projekt, efterhånden som Stupp-gruppen udviklede hybridperovskit-strukturerne, og Tisdale-gruppen udførte de præcise spektroskopiske målinger, der var nødvendige for at bekræfte interaktionerne i systemerne.

I fremtiden, evnen til at finjustere de elektroniske egenskaber af disse materialer kunne anvendes på forskellige optiske eller elektroniske sensorer – inklusive molekylære sensorer, der udnytter tilstedeværelsen af ​​organiske lag – samt solceller og lysdetektorer.

"Ud over en vej mod forbedrede optoelektroniske enheder, dette arbejde understreger nogle af de unikke fordele ved halvledere i nanoskala, som er mere følsomme over for deres omgivende miljø end bulkmaterialer, "Tisdale siger. "Lektionerne, vi har lært i forbindelse med hybride lagdelte perovskiter, kan udvides til mange andre nye materialer."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.