At presse et rockstjernet materiale kan gøre det stabilt nok til solceller

Blandt de materialer kendt som perovskites, en af ​​de mest spændende er et materiale, der kan omdanne sollys til elektricitet lige så effektivt som nutidens kommercielle siliciumsolceller og har potentiale til at være meget billigere og nemmere at fremstille.

Der er kun et problem:Af de fire mulige atomare konfigurationer, eller faser, dette materiale kan tage, tre er effektive, men ustabile ved stuetemperatur og i almindelige miljøer, og de vender hurtigt tilbage til den fjerde fase, som er fuldstændig ubrugelig til solcelleanlæg.

Nu har forskere ved Stanford University og Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory fundet en ny løsning:Du skal blot placere den ubrugelige version af materialet i en diamantamboltcelle og klemme den ved høj temperatur. Denne behandling skubber dens atomare struktur til en effektiv konfiguration og holder den sådan, selv ved stuetemperatur og i relativt fugtig luft.

Forskerne beskrev deres resultater i Naturkommunikation .

"Dette er den første undersøgelse, der bruger pres til at kontrollere denne stabilitet, og det åbner virkelig mange muligheder, " sagde Yu Lin, en SLAC-medarbejder og efterforsker ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES).

"Nu hvor vi har fundet denne optimale måde at forberede materialet på, " hun sagde, "der er potentiale for at skalere det op til industriel produktion, og for at bruge den samme tilgang til at manipulere andre perovskitfaser."

En søgen efter stabilitet

Perovskites får deres navn fra et naturligt mineral med samme atomare struktur. I dette tilfælde studerede forskerne en blyhalogenidperovskit, der er en kombination af jod, bly og cæsium.

En fase af dette materiale, kendt som den gule fase, har ikke en ægte perovskitstruktur og kan ikke bruges i solceller. Imidlertid, videnskabsmænd opdagede for et stykke tid tilbage, at hvis man behandler det på bestemte måder, den skifter til en sort perovskitfase, der er ekstremt effektiv til at omdanne sollys til elektricitet. "Dette har gjort det meget eftertragtet og fokus for en masse forskning, " sagde Stanford Professor og studie medforfatter Wendy Mao.

Desværre, disse sorte faser er også strukturelt ustabile og har en tendens til hurtigt at falde tilbage i den ubrugelige konfiguration. Plus, de fungerer kun med høj effektivitet ved høje temperaturer, Mao sagde, og forskere bliver nødt til at overvinde begge disse problemer, før de kan bruges i praktiske enheder.

Der havde været tidligere forsøg på at stabilisere de sorte faser med kemi, belastning eller temperatur, men kun i et fugtfrit miljø, der ikke afspejler de virkelige forhold, som solceller opererer i. Denne undersøgelse kombinerede både tryk og temperatur i et mere realistisk arbejdsmiljø.

Tryk og varme gør tricket

Arbejde med kolleger i Stanford-forskningsgrupperne af Mao og professor Hemamala Karunadasa, Lin og postdoc-forsker Feng Ke designede et setup, hvor gule fasekrystaller blev klemt mellem spidserne af diamanter i det, der er kendt som en diamantamboltcelle. Med trykket stadig på, krystallerne blev opvarmet til 450 grader Celsius og derefter kølet ned.

Under den rigtige kombination af tryk og temperatur, krystallerne blev fra gule til sorte og forblev i den sorte fase, efter at trykket blev udløst, sagde forskerne. De var modstandsdygtige over for nedbrydning fra fugtig luft og forblev stabile og effektive ved stuetemperatur i 10 til 30 dage eller mere.

Undersøgelse med røntgenstråler og andre teknikker bekræftede skiftet i materialets krystalstruktur, og beregninger af SIMES-teoretikere Chunjing Jia og Thomas Devereaux gav indsigt i, hvordan trykket ændrede strukturen og bevarede den sorte fase.

Det nødvendige tryk for at gøre krystallerne sorte og holde dem på den måde var omkring 1, 000 til 6, 000 gange atmosfærisk tryk, Lin sagde - omkring en tiendedel af det tryk, der rutinemæssigt bruges i den syntetiske diamantindustri. Så et af målene for yderligere forskning vil være at overføre, hvad forskerne har lært fra deres diamantamboltcelleeksperimenter, til industrien og opskalere processen for at bringe det inden for fremstillingsområdet.