Team måler direkte, hvordan perovskite solfilm effektivt konverterer lys til strøm

Solceller lavet med film, der efterligner strukturen af ​​mineralet perovskit, er i fokus for verdensomspændende forskning. Men først nu har forskere ved Case Western Reserve University direkte vist, at filmene har en nøgleegenskab, der giver dem mulighed for effektivt at omdanne sollys til elektricitet.

At identificere denne egenskab kan føre til mere effektive solpaneler.

Elektroner, der genereres, når lys rammer filmen, er ubegrænsede af korngrænser - kanterne af krystallinske underenheder i filmen - og rejser lange afstande uden at forringes, viste forskerne. Det betyder, at elektriske ladningsbærere, der bliver fanget og henfalder i andre materialer, i stedet er tilgængelige for at blive trukket ud som strøm.

Forskerne målte direkte den tilbagelagte afstand - kaldet diffusionslængde - for første gang ved at bruge teknikken kaldet "rumligt scannet fotostrømsbilledmikroskopi." Diffusionslængde i en velorienteret perovskitfilm målt op til 20 mikrometer.

Fundene, offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver , indikerer, at solceller kan gøres tykkere uden at skade deres effektivitet, sagde Xuan Gao, lektor i fysik og forfatter til papiret.

"En tykkere celle kan absorbere mere lys, " han sagde, "potentielt giver en bedre solcelle."

Effektivitet indbygget

Solenergiforskere mener, at perovskite-film lover meget. På mindre end fem år, film fremstillet med den krystallinske struktur har overgået 20 procent effektivitet i at konvertere sollys til elektricitet, et mærke, det tog årtier at nå med siliciumbaserede solceller, der bruges i dag.

I denne forskning, Gaos laboratorium udførte rumligt scannede fotostrømbilleder på film lavet i laboratoriet af Case Western Reserves kemiprofessor Clemens Burda.

Perovskitmineraler, der findes i naturen, er oxider af visse metaller, men Burdas laboratorium lavede organo-metalliske film med den samme krystallinske struktur ved hjælp af methylammonium blytri-iodid (CH3NH3PBI3), et tredimensionelt blyhalogenid omgivet af små organiske methylammoniummolekyler, der holder gitterstrukturen sammen.

"Spørgsmålet har været, 'Hvordan er disse solceller så effektive? Hvis vi ville vide, vi kunne forbedre perovskit-solceller yderligere" sagde Burda. "Folk troede, det kunne skyldes usædvanlig lang elektrontransport, og vi målte det direkte."

Diffusionslængde er afstanden en elektron eller dens modsætning, kaldet et hul, bevæger sig fra generation, indtil den rekombinerer eller udvindes som elektrisk strøm. Afstanden er den samme som transportlængden, når der ikke påføres noget elektrisk felt (hvilket normalt øger den tilbagelagte afstand).

Måling af rejser

Laboratorierne foretog gentagne målinger ved at fokusere en lille laserplet på film, der er 8 millimeter kvadratisk gange 300 nanometer tykke. Filmene blev gjort stabile ved at overtrække perovskitten med et lag af polymeren parylen.

Lyset genererer elektroner og huller og fotostrømmen, eller strøm af elektroner, optages mellem elektroderne placeret ca. 120 mikron væk fra hinanden, mens filmen scannes langs to vinkelrette retninger. Scanningen giver et todimensionelt rumligt kort over bærerdiffusion og transportkarakteristika.

Målingerne viste diffusionslængde i gennemsnit omkring 10 mikron. I nogle tilfælde, længden nåede 20 mikron, som viser filmens funktionelle område er mindst 20 mikron lang, sagde forskerne.

I nogle materialer, korngrænser nedsætter ledningsevnen, men billeddannelse viste, at disse grænseflader mellem korn i filmen ikke havde nogen indflydelse på elektronernes vandring. Gao og Burda siger, at det kan skyldes, at kornene i filmen er godt justeret, forårsager ingen impedans eller andre skadelige virkninger på elektroner eller huller.

Burda og Gao søger nu føderale midler til at bruge mikroskopiteknikken til at bestemme, om forskellige kornstørrelser, orienteringer, halogenidperovskitsammensætninger, filmtykkelser og mere ændrer filmens egenskaber, at fremskynde forskningen på området yderligere.