Hybrid fotoaktive perovskiter afbildet med atomopløsning for første gang

Der er udviklet en ny teknik, der gør det muligt at tage pålidelige atomopløsningsbilleder, for første gang, af hybride fotoaktive perovskit tynde film. Disse billeder har betydelige implikationer for at forbedre ydeevnen af ​​solcellematerialer og udvidede forståelsen af ​​disse teknologisk vigtige materialer. Gennembruddet blev opnået af et fælles team fra University of Oxford og Diamond Light Source, som netop har udgivet et nyt papir, der skal offentliggøres i Videnskab den 30 oktober, med titlen "Atomisk skala mikrostruktur af metalhalogenid perovskit."

Ved at bruge ePSIC (Electron Physical Science Imaging Centre) E02-mikroskopet og ARM200-mikroskopet på Institut for Materialer, University of Oxford, holdet udviklede en ny teknik, som gjorde det muligt for dem at afbilde de hybride fotoaktive perovskitter tynde film med atomopløsning. Dette gav dem hidtil uset indsigt i deres atomare sammensætning og gav dem information, der er usynlig for enhver anden teknik.

Dr. Mathias Uller Rothmann fra Fysisk Institut, University of Oxford, forklarer, "Dette er det sidste skridt på vejen til at kunne afbilde, og dermed forstå, disse vigtige solcellematerialer på det mest fundamentale, atomniveau. Det er en betydelig opdagelse, som ikke er blevet opnået med succes før, på trods af at disse materialer er nogle af de mest intensivt undersøgte i verden i løbet af de sidste otte år. Materialet beskadiger utroligt hurtigt under en elektronstråle, så vi var nødt til at skrue ned for elektrondosis til det punkt, hvor vi kørte på grænsen af, hvad detektorerne kan optage. Faktisk, skaden sker så hurtigt, at under 'normale' billeddannelsesforhold, skaden er sket, før du opdager det. Det betyder, at der sandsynligvis er en relativt stor mængde litteratur derude, som har lavet observationer baseret på den beskadigede version af materialet, og ikke den, der går i de egentlige solceller."

Mekanismerne bag den imponerende ydeevne af disse særlige perovskitter er endnu ikke fuldt ud forstået, men de afhænger sandsynligvis af egenskaber på atomniveau, der kan være unikke for dem.

Dr. Chris Allen, ledende elektronmikroskopist ved ePSIC siger; "Billeddannelse af strålefølsomme materialer ved atomopløsning er ekstremt udfordrende, da højenergielektronerne har tendens til at beskadige prøven, ændre dens atomare struktur. Ved at tilpasse en billeddannelsesteknik, der normalt ikke er forbundet med billeddannelse med lav elektrondosis, dette samarbejde mellem videnskabsmænd ved University of Oxford og ePSIC har opnået en hidtil uset løsning på denne vigtige klasse af materialer. Dette har ikke kun besvaret spørgsmål om atomstrukturen af ​​hybride perovskitter, men åbner også muligheder for forskning i mange andre strålefølsomme materialer."

Papiret gennemgår en kombination af forhold, der nu kan bruges til billeddannelse af materialerne samt billeder af mikroskopiske egenskaber, der aldrig før er blevet observeret i disse materialer. Holdet beskriver dette som revolutionerende, fordi det giver videnskabsfolk mulighed for at studere præcis, hvad filmenes lokale sammensætning er med atomær præcision og nøjagtighed. Denne teknik er ret meget brugt til at studere andre materialer, men på grund af den bemærkelsesværdigt ustabile natur af de fotoaktive perovskitter, især under en elektronstråle, dette har ikke været muligt for hybride perovskitter indtil nu.

"Ved at bruge vores protokol, vi har været i stand til at beskrive den nøjagtige atomare natur af korngrænser, en af ​​de dårligst forståede aspekter af perovskit-solceller, samt at beskrive en helt ny række af krystaldefekter, der kan have en væsentlig indflydelse på den makroskopiske ydeevne af solcelleapparater. Man kan sige, at vi nu har låst op for det næste niveau af evne til at forstå disse spændende materialer. Selvom vi endnu ikke har et fuldstændigt billede af, hvad dette vil betyde for udviklingen af ​​disse solceller, forskere vil nu være i stand til at give konkrete svar i stedet for kvalificerede gæt, når de forsøger at besvare spørgsmål om de mikroskopiske egenskaber af perovskit-solcellematerialer. At besvare disse spørgsmål vil være et stort skridt i retning af at guide feltet mod stadigt bedre ydende solceller, og, måske, for at forhindre en klimakatastrofe, " slutter Dr. Rothmann.

Holdets nye teknik gjorde det muligt for dem at observere en helt ny række af fænomener, der vedrører hybride perovskites, herunder vigtige egenskaber såsom den nøjagtige sammensætning af korngrænserne og andre grænseflader, som andre teknikker ikke har kunnet løse. Derudover holdet observerede en række krystallografiske defekter, som aldrig er blevet overvejet for hybridperovskitter, og som er kendt i andre solcellematerialer for at være yderst skadelige for den samlede ydeevne. Fjernelse af disse defekter vil være vigtigt for høj ydeevne, men indtil nu, det var umuligt pålideligt at identificere deres tilstedeværelse.