Ny teknik baner vejen for perfekte perovskitter

Et spændende nyt solmateriale kaldet organisk-uorganisk halogenidperovskitter kan en dag hjælpe USA med at nå sine solambitioner og afkarbonisere elnettet. Tusind gange tyndere end silicium, perovskite solmaterialer kan indstilles til at reagere på forskellige farver i solspektret ved blot at ændre deres sammensætningsmix.

Typisk fremstillet af organiske molekyler, såsom methylammonium og uorganiske metalhalogenider, såsom blyiodid, hybrid perovskit solmaterialer har en høj tolerance for defekter i deres molekylære struktur og absorberer synligt lys mere effektivt end silicium, solindustriens standard.

Alt i alt, disse kvaliteter gør perovskitter lovende aktive lag ikke kun i fotovoltaik (teknologier, der konverterer lys til elektricitet), men også i andre typer elektroniske enheder, der reagerer på eller styrer lys, herunder lysdioder (LED'er), detektorer, og lasere.

"Selvom perovskitter tilbyder et stort potentiale for stærkt at udvide solenergi, de mangler endnu at blive kommercialiseret, fordi deres pålidelige syntese og langsigtede stabilitet længe har udfordret forskere, "sagde Carolin Sutter-Fella, en forsker ved Molecular Foundry, en nanovidenskabsbrugerfacilitet på Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). "Nu, en vej til perfekte perovskitter kan snart være inden for rækkevidde. "

En nylig Naturkommunikation undersøgelse ledet af Sutter-Fella rapporterer, at fremstilling af solmaterialer kan hjælpes af et sofistikeret nyt instrument, der bruger to typer lys-usynligt røntgenlys og synligt laserlys-til at undersøge et perovskitmateriales krystalstruktur og optiske egenskaber, da det er syntetiseret.

"Når mennesker laver tynde solfilm, de har typisk et dedikeret synteselaboratorium og skal gå til et andet laboratorium for at karakterisere det. Med vores udvikling, du kan fuldt ud syntetisere og karakterisere et materiale på samme tid, samme sted, " hun sagde.

Til dette arbejde, Sutter-Fella samlede et internationalt team af topforskere og ingeniører for at udstyre en røntgenstråle-endestation med en laser på Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS).

Det nye instrumentets meget intense røntgenlys gør det muligt for forskere at undersøge perovskitmaterialets krystalstruktur og afsløre detaljer om hurtige kemiske processer. For eksempel, det kan bruges til at karakterisere, hvad der sker i det andet før og efter et fald af et størkningsmiddel omdanner en flydende forstadieopløsning til en fast tynd film.

På samme tid, dens laser kan bruges til at skabe elektroner og huller (elektriske ladningsbærere) i den perovskite tynde film, tillader forskerne at observere solmaterialets reaktion på lys, hvad enten det er et færdigt produkt eller i de mellemliggende faser af materialesyntese.

"At udstyre en røntgenstråle-endestation med en laser giver brugerne mulighed for at undersøge disse komplementære egenskaber samtidigt, "forklarede Sutter-Fella.

Denne kombination af samtidige målinger kan blive en del af en automatiseret arbejdsgang til overvågning af produktionen af ​​perovskitter og andre funktionelle materialer i realtid til proces- og kvalitetskontrol.

Perovskitfilm fremstilles typisk ved centrifugering, en overkommelig teknik, der ikke kræver dyrt udstyr eller komplicerede kemiske opsætninger. Og sagen for perovskitter bliver endnu lysere, når du overvejer, hvor energikrævende det er bare at fremstille silicium til en solcelleanordning-silicium kræver en behandlingstemperatur på cirka 2, 732 grader Fahrenheit. I modsætning, perovskitter behandles let fra opløsning ved stuetemperatur til kun 302 grader Fahrenheit.

Beamline endstationen giver forskere mulighed for at observere, hvad der sker under syntese, og især i løbet af de første sekunder af centrifugering, et kritisk tidsvindue, hvorunder forløberopløsningen langsomt begynder at størkne til en tynd film.

Første forfatter Shambhavi Pratap, som har specialiseret sig i brug af røntgenstråler til undersøgelse af tyndfilmede solenergimaterialer, spillet en kritisk rolle i udviklingen af ​​instrumentet som ALS -doktorand. Hun afsluttede for nylig sine doktorgradsstudier i Müller-Buschbaum-gruppen ved det tekniske universitet i München.

"Instrumentet giver forskere mulighed for at dokumentere, hvordan små ting, der normalt tages for givet, kan have stor indflydelse på materialekvalitet og ydeevne, "Sagde Pratap.

"For at gøre reproducerbare og effektive solceller til lave omkostninger, alt betyder noget, "Sagde Sutter-Fella. Hun tilføjede, at undersøgelsen var en teamindsats, der strakte sig over en lang række videnskabelige discipliner.

Værket er det seneste kapitel i en arbejdsgruppe, som Sutter-Fella blev tildelt en Berkeley Lab Early Career Laboratory Directed Research and Development (LDRD) Award for i 2017.

"Vi ved, at forskningsmiljøet er interesseret i at bruge denne nye kapacitet på ALS, "sagde hun." Nu vil vi gøre det brugervenligt, så flere mennesker kan drage fordel af denne endstation. "