Solceller:Kortlægning af landskabet for cæsiumbaserede uorganiske halogenidperovskitter

Forskere ved HZB har trykt og undersøgt forskellige sammensætninger af cæsiumbaserede halogenidperovskitter (CsPb (Br _x jeg _{1 − x} ) ₃ (0 ≤ x ≤ 1)). I et temperaturområde mellem stuetemperatur og 300 Celsius, de observerer strukturelle faseovergange, der påvirker de elektroniske egenskaber. Undersøgelsen giver en hurtig og let metode til at vurdere nye sammensætninger af perovskitmaterialer for at identificere kandidater til applikationer i tyndfilm solceller og optoelektroniske enheder.

Hybridhalogenidperovskitter (ABX3) er steget på få år som meget effektive nye materialer til tyndfilm solceller. A står for en kation, enten et organisk molekyle eller noget alkalimetal, B er et metal, oftest Bly (Pb) og X er et halogenelement, såsom Bromide eller Iodide. I øjeblikket opnår nogle sammensætninger effektivitetseffekt over 25%. Hvad er mere, de fleste perovskit tynde film kan let behandles fra opløsning ved moderate behandlingstemperaturer, hvilket er meget økonomisk.

Verdensrekordeffektiviteter er nået med organiske molekyler, såsom methylammonium (MA) som A -kationen og Pb og jod eller bromid på de andre steder. Men de organiske perovskitter er endnu ikke særlig stabile. Uorganiske perovskitter med cæsium på A-stedet lover højere stabilitet, men simple forbindelser som CsPbI ₃ eller CsPbBr ₃ enten ikke er særlig stabile eller ikke giver de nødvendige elektroniske egenskaber til applikationer i solceller eller andre optoelektroniske enheder.

Nu, et team på HZB udforskede kompositioner af CsPb (Br _x jeg _1-x ) 3, som giver indstillelige optiske båndgab mellem 1,73 og 2,37 eV. Dette gør disse blandinger virkelig interessante til multi-junction solcelle applikationer, især for tandem -enheder.

Til produktionen brugte de en nyudviklet metode til udskrivning af kombinatoriske perovskit tynde film til at producere systematiske variationer af (CsPb (BrxI _1-x ) ₃ tynde film på et underlag. For at opnå dette, to printhoveder blev fyldt med enten CsPbBr ₂ I eller CsPbI ₃ og derefter programmeret til at udskrive den nødvendige mængde flydende dråber på substratet for at danne en tynd film af den ønskede sammensætning. Efter glødning ved 100 Celsius for at uddrive opløsningsmidlet og krystallisere prøven, de opnåede tynde striber med forskellige sammensætninger (vist på billedet).

Med en særlig højintensitets røntgenkilde, den flydende metalstråle i LIMAX -laboratoriet på HZB, den tyndfilms krystallinske struktur blev analyseret ved forskellige temperaturer, fra rumtemperatur op til 300 Celsius. "Vi finder ud af, at alle undersøgte sammensætninger konverterer til en kubisk perovskitfase ved høj temperatur, "Hampus Näsström, Ph.d. studerende og første forfatter til publikationen forklarer. Ved afkøling, alle prøver overgår til metastabile tetragonale og orthorhombiske forvrængede perovskitfaser, hvilket gør dem velegnede til solcelleenheder. "Dette har vist sig at være en ideel anvendelse af XRD på stedet med den laboratoriebaserede røntgenkilde med høj glans, "Roland Mainz, leder af LIMAX -laboratoriet, tilføjer.

Da overgangstemperaturerne til de ønskede faser viser sig at falde med stigende bromidindhold, dette ville gøre det muligt at sænke behandlingstemperaturerne for uorganiske perovskitsolceller.

"Interessen for denne nye klasse af solmaterialer er enorm, og de mulige sammensætningsvariationer tæt på uendelige. Dette arbejde viser, hvordan man systematisk producerer og vurderer en lang række sammensætninger, "siger Dr. Eva Unger, der leder Young Investigator Group Hybrid Materials Formation and Scaling. Dr. Thomas Unold, leder af Combinatorial Energy Materials Research-gruppen er enig og foreslår, at "dette er et glimrende eksempel på, hvordan high-throughput tilgange inden for forskning i høj grad kan accelerere opdagelse og optimering af materialer i fremtidig forskning."