Hvordan klor stabiliserer næste generations solceller på atomare skala

Et team af forskere ledet af professor Yabing Qi i Energy Materials and Surface Sciences Unit ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) i Japan har afbildet atomerne på overfladen af ​​det lysabsorberende lag i en ny type næste generation af solceller, lavet af et krystalmateriale kaldet metalhalogenid perovskit.

Deres resultater, rapporteret i journalen Energi- og miljøvidenskab , har løst et mangeårigt mysterium inden for solenergiteknologi, viser, hvordan kraftforstærkende og stabilitetsfremmende klor er inkorporeret i perovskitmaterialet.

I en verden, der nu er drevet af et behov for rent, grøn energi, solenergi er en vital vej frem ud af klimakrisen. Og metalhalogenid-perovskiter er det kommende materiale, som mange forskere håber en dag vil formørke eller komplementere de siliciumsolceller, der i øjeblikket dominerer markedet.

"Perovskites har potentialet til at være billigere, mere effektiv og mere alsidig end silicium, " sagde førsteforfatter Dr. Afshan Jamshaid, en tidligere ph.d. studerende i OIST Energy Materials and Surface Sciences Unit.

Men pt. perovskite solceller lider af problemer med effektivitet, opskalering og stabilitet, holde dem tilbage fra kommercialisering. Høje temperaturer, fugtighed og UV-lys kan nedbryde perovskitmaterialet, reducere hvor godt den kan omdanne lysenergi til strøm, Dr. Jamshaid forklarede.

I løbet af det sidste årti, forskere har været intenst fokuseret på at tackle disse problemer. En måde at forbedre perovskit-solceller på har været ved at bruge dopanter - små spor af et andet kemikalie, der tilsættes under processen med at fremstille perovskit-krystallaget. Doteringsmidler ændrer materialets fysiske og kemiske egenskaber, øger stabiliteten og effektiviteten af ​​solcelleanlægget.

Et sådant dopingmiddel er klor, som har vist sig at øge levetiden for perovskit-solceller og forbedre deres effektkonverteringseffektivitet. Men indtil nu, hvordan dette dopant virkede var et puslespil.

"Forskersamfundet havde ingen idé om, hvorfor de så disse forbedringer. Når først de er tilføjet, forskerne kunne ikke spore klor - de kunne ikke se, om klor var inkorporeret dybt i perovskit-materialet, opholdt sig ved overfladen eller endda forladt materialet under fremstillingsprocessen, " sagde Dr. Jamshaid. "Omkring 50 % af samfundet troede, at klor var til stede, men det gjorde de andre 50 % af samfundet ikke."

I undersøgelsen, forskergruppen afgjorde endelig debatten ved at skabe tynde film af metalhalogenid perovskit, methylammonium blyiodid, som var dopet med klor. De brugte banebrydende scanningstunnelmikroskopi til at afbilde overfladen af ​​perovskitlaget.

"Det var kun ved at zoome ind ned til atomniveau, at vi endelig var i stand til at opdage, at klor virkelig var der, bare ved en meget lav koncentration, " sagde Dr. Jamshaid.

Holdet fandt ud af, at der var mørke fordybninger på overfladen, som ikke blev set i de rene methylammonium blyiodid perovskitfilm.

Gennem teoretiske beregninger udført af samarbejdspartnerne professor Wanjian Yin og Dr. Zhendong Guo ved Soochow Universitet i Kina, forskerne konkluderede, at disse mørke fordybninger betyder, hvor klor, som er mindre i størrelsen, har erstattet det løst bundne jod i perovskitkrystalstrukturen.

Forskergruppen bemærkede også, at flere af disse mørke fordybninger opstod omkring korngrænser i perovskitfilmen.

Perovskitlaget er ikke et ensartet krystalgitter, men består i stedet af mange forskellige krystalkorn. Det er på grund af disse revner mellem korn, kaldet korngrænser, at perovskit i sagens natur er så ustabil.

"Mest nedbrydning fra UV-lys, temperatur eller fugt forekommer ved disse korngrænser, da ionerne her er meget mere løst bundet, " sagde Dr. Jamshaid.

Holdet har mistanke om, at den øgede tilstedeværelse af klor omkring disse korngrænser kan forklare materialets øgede stabilitet og effektivitet, ved at reducere antallet af fejl på overfladen.

Vigtigt, fandt forskerne ud af, at når de varierede koncentrationen af ​​klor i perovskitfilmen ved at ændre den tid, hvor klor blev aflejret, materialets overfladestruktur og elektroniske egenskaber ændrede sig også.

Ved den korteste deponeringstid, holdet kunne ikke detektere klor på overfladen af ​​perovskitmaterialet. Og på den længste aflejringstid, kloret dannede et ekstra lag af ioner oven på perovskitten, der drastisk ændrede de elektroniske egenskaber.

Forskerne var i stand til at regne ud en mellemaflejringstid, der ramte det søde punkt – og leverede en optimal koncentration af klor – omkring 14,8 % – på overfladen. Denne koncentration gav perovskitmaterialet høj stabilitet.

Det næste trin for forskerholdet er at fremstille en komplet solcelle, der indeholder et perovskitlag dopet med denne optimale koncentration af klor.

"Det er derfor, grundlæggende undersøgelser som disse er så vigtige - de hjælper enhedsingeniører med at fastlægge den mest optimale fremstillingsproces uden så meget forsøg og fejl, " sagde Dr. Jamshaid. "Ved at forstå, hvordan dopingstofferne forbedrer materialet, det kan også guide os mod nye kemiske blandinger, der måske fungerer endnu bedre."