Mysteriet om højtydende nye solcellematerialer afsløret i forbløffende klarhed

Forskere fra University of Cambridge har brugt en række korrelative, multimodale mikroskopimetoder til for første gang at visualisere, hvorfor perovskitmaterialer tilsyneladende er så tolerante over for defekter i deres struktur. Deres resultater blev offentliggjort i dag i Nature Nanotechnology .

Det mest almindeligt anvendte materiale til fremstilling af solpaneler er krystallinsk silicium, men for at opnå en effektiv energiomdannelse kræver det en energikrævende og tidskrævende produktionsproces for at skabe den meget velordnede waferstruktur, der kræves.

I det sidste årti er perovskitmaterialer dukket op som lovende alternativer.

De blysalte, der bruges til at fremstille dem, er meget mere rigelige og billigere at fremstille end krystallinsk silicium, og de kan fremstilles i en flydende blæk, der blot trykkes for at producere en film af materialet. De viser også et stort potentiale for andre optoelektroniske applikationer, såsom energieffektive lysemitterende dioder (LED'er) og røntgendetektorer.

Den imponerende ydeevne af perovskites er overraskende. Den typiske model for en fremragende halvleder er en meget velordnet struktur, men rækken af ​​forskellige kemiske elementer kombineret i perovskiter skaber et meget "messer" landskab.

Denne heterogenitet forårsager defekter i materialet, der fører til 'fælder' i nanoskala, som reducerer enhedernes fotovoltaiske ydeevne. Men på trods af tilstedeværelsen af ​​disse defekter viser perovskitmaterialer stadig effektivitetsniveauer, der kan sammenlignes med deres siliciumalternativer.

Faktisk har tidligere forskning fra gruppen vist, at den uordnede struktur faktisk kan øge ydeevnen af ​​perovskit-optoelektronik, og deres seneste arbejde søger at forklare hvorfor.

Ved at kombinere en række nye mikroskopiteknikker præsenterer gruppen et komplet billede af disse materialers kemiske, strukturelle og optoelektroniske landskab i nanoskala, som afslører de komplekse vekselvirkninger mellem disse konkurrerende faktorer og i sidste ende viser, hvilke der kommer ud i toppen.

"Det, vi ser, er, at vi har to former for lidelse, der sker sideløbende," forklarer ph.d. studerende Kyle Frohna, "den elektroniske lidelse forbundet med de defekter, der reducerer ydeevnen, og derefter den rumlige kemiske lidelse, der ser ud til at forbedre den.

"Og det, vi har fundet, er, at den kemiske lidelse - den 'gode' lidelse i dette tilfælde - afbøder den 'dårlige' lidelse fra defekterne ved at lede ladningsbærerne væk fra disse fælder, som de ellers kunne blive fanget i."

I samarbejde med Cambridges Cavendish Laboratory, Diamond Light Source synkrotronanlægget i Didcot og Okinawa Institute of Science and Technology i Japan brugte forskerne flere forskellige mikroskopiske teknikker til at se på de samme områder i perovskitfilmen. De kunne derefter sammenligne resultaterne fra alle disse metoder for at præsentere det fulde billede af, hvad der sker på nanoskalaniveau i disse lovende nye materialer.

"Ideen er, at vi laver noget, der hedder multimodal mikroskopi, hvilket er en meget fancy måde at sige, at vi ser på det samme område af prøven med flere forskellige mikroskoper og grundlæggende forsøger at korrelere egenskaber, som vi trækker ud af en med de egenskaber, vi trækker. ud af en anden," siger Frohna. "Disse eksperimenter er tidskrævende og ressourcekrævende, men de belønninger, du får i form af den information, du kan trække ud, er fremragende."

Resultaterne vil give gruppen og andre i feltet mulighed for yderligere at forfine, hvordan perovskit-solceller fremstilles for at maksimere effektiviteten.

"I lang tid har folk kastet sig over begrebet defekttolerance, men det er første gang, nogen har visualiseret det ordentligt for at få styr på, hvad det egentlig vil sige at være defekttolerant i disse materialer.

"Når vi ved, at disse to konkurrerende lidelser spiller ud af hinanden, kan vi tænke på, hvordan vi effektivt modulerer den ene for at afbøde virkningerne af den anden på den mest gavnlige måde."

"Med hensyn til nyheden i den eksperimentelle tilgang, har vi fulgt en korrelativ multimodal mikroskopistrategi, men ikke kun det, hver enkeltstående teknik er banebrydende for sig selv," siger Miguel Anaya, Royal Academy of Engineering Research Fellow ved Cambridges Department of Chemical Teknik og bioteknologi

"Vi har visualiseret og givet grunde til, hvorfor vi kan kalde disse materialer defekttolerante. Denne metode gør det muligt for nye ruter at optimere dem på nanoskala for i sidste ende at yde bedre til en målrettet anvendelse. Nu kan vi se på andre typer perovskitter, der er ikke kun godt for solceller, men også for LED'er eller detektorer og forstå deres arbejdsprincipper.

"Endnu vigtigere er det, at det sæt af erhvervelsesværktøjer, som vi har udviklet i dette arbejde, kan udvides til at studere ethvert andet optoelektronisk materiale, noget der kan være af stor interesse for det bredere materialevidenskabelige samfund."

"Gennem disse visualiseringer forstår vi nu meget bedre landskabet i nanoskalaen i disse fascinerende halvledere - de gode, de dårlige og de grimme," siger Sam Stranks, universitetsassistent i energi ved Cambridges afdeling for kemiteknik og bioteknologi.

"Disse resultater forklarer, hvordan feltets empiriske optimering af disse materialer har drevet disse perovskitter med blandet sammensætning til så høje ydeevner. Men de har også afsløret tegninger til design af nye halvledere, der kan have lignende egenskaber - hvor uorden kan udnyttes til at skræddersy ydeevnen ." + Udforsk yderligere

Metalhalogenid-perovskit-halvledere kan konkurrere med silicium-modstykker til solceller, LED'er