Mysterie van hoogwaardige nieuwe zonnecelmaterialen onthuld in verbluffende helderheid

Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge hebben een reeks correlatieve, multimodale microscopiemethoden gebruikt om voor het eerst te visualiseren waarom perovskietmaterialen schijnbaar zo tolerant zijn voor defecten in hun structuur. Hun bevindingen zijn vandaag gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie.

Het meest gebruikte materiaal voor de productie van zonnepanelen is kristallijn silicium, maar om een ​​efficiënte energieconversie te bereiken, is een energie-intensief en tijdrovend productieproces nodig om de vereiste zeer geordende wafelstructuur te creëren.

In het laatste decennium zijn perovskietmaterialen naar voren gekomen als veelbelovende alternatieven.

De loodzouten die worden gebruikt om ze te maken, zijn veel overvloediger en goedkoper te produceren dan kristallijn silicium, en ze kunnen worden bereid in vloeibare inkt die eenvoudig wordt bedrukt om een ​​film van het materiaal te produceren. Ze laten ook een groot potentieel zien voor andere opto-elektronische toepassingen, zoals energiezuinige lichtgevende diodes (LED’s) en röntgendetectoren.

De indrukwekkende prestaties van perovskieten zijn verrassend. Het typische model voor een uitstekende halfgeleider is een zeer geordende structuur, maar de combinatie van verschillende chemische elementen in perovskieten zorgt voor een veel ‘rommeliger’ landschap.

Deze heterogeniteit veroorzaakt defecten in het materiaal die leiden tot ‘vallen’ op nanoschaal, die de fotovoltaïsche prestaties van de apparaten verminderen. Maar ondanks de aanwezigheid van deze defecten, vertonen perovskietmaterialen nog steeds efficiëntieniveaus die vergelijkbaar zijn met hun siliciumalternatieven.

Eerder onderzoek van de groep heeft zelfs aangetoond dat de ongeordende structuur de prestaties van perovskiet-opto-elektronica daadwerkelijk kan verhogen, en hun nieuwste werk probeert uit te leggen waarom.

Door een reeks nieuwe microscopietechnieken te combineren, presenteert de groep een compleet beeld van het chemische, structurele en opto-elektronische landschap van deze materialen op nanoschaal, dat de complexe interacties tussen deze concurrerende factoren onthult en uiteindelijk laat zien welke er als beste uit komt.

“Wat we zien is dat we twee vormen van stoornis parallel hebben”, legt Ph.D. student Kyle Frohna, “de elektronische stoornis geassocieerd met de defecten die de prestaties verminderen, en dan de ruimtelijke chemische stoornis die deze lijkt te verbeteren.

“En wat we hebben gevonden is dat de chemische stoornis – de ‘goede’ stoornis in dit geval – de ‘slechte’ stoornis van de defecten verzacht door de ladingsdragers weg te leiden van deze vallen waar ze anders in zouden kunnen verstrikt raken.”

In samenwerking met Cambridge’s Cavendish Laboratory, de Diamond Light Source synchrotron-faciliteit in Didcot en het Okinawa Institute of Science and Technology in Japan, gebruikten de onderzoekers verschillende microscopische technieken om naar dezelfde regio’s in de perovskietfilm te kijken. Vervolgens kunnen ze de resultaten van al deze methoden vergelijken om een ​​volledig beeld te krijgen van wat er op nanoschaal gebeurt in deze veelbelovende nieuwe materialen.

“Het idee is dat we iets doen dat multimodale microscopie wordt genoemd, wat een heel mooie manier is om te zeggen dat we met meerdere verschillende microscopen naar hetzelfde gebied van het monster kijken en in feite proberen eigenschappen die we eruit halen te correleren met de eigenschappen die we trekken uit een andere”, zegt Frohna. “Deze experimenten zijn tijdrovend en arbeidsintensief, maar de beloningen die u krijgt in termen van de informatie die u eruit kunt halen, zijn uitstekend.”

De bevindingen zullen de groep en anderen in het veld in staat stellen verder te verfijnen hoe perovskiet-zonnecellen worden gemaakt om de efficiëntie te maximaliseren.

“Lange tijd hebben mensen de term defecttolerantie rondgestrooid, maar dit is de eerste keer dat iemand het goed heeft gevisualiseerd om grip te krijgen op wat het eigenlijk betekent om defecttolerant te zijn in deze materialen.

“Wetend dat deze twee concurrerende aandoeningen elkaar uitspelen, kunnen we nadenken over hoe we de ene effectief kunnen moduleren om de effecten van de andere op de meest gunstige manier te verminderen.”

“Wat de nieuwigheid van de experimentele benadering betreft, hebben we een correlatieve multimodale microscopiestrategie gevolgd, maar niet alleen dat, elke op zichzelf staande techniek is op zichzelf baanbrekend”, zegt Miguel Anaya, Royal Academy of Engineering Research Fellow bij Cambridge’s Department of Chemical Engineering en biotechnologie

“We hebben gevisualiseerd en redenen gegeven waarom we deze materialen defecttolerant kunnen noemen. Deze methodologie maakt nieuwe routes mogelijk om ze op nanoschaal te optimaliseren om uiteindelijk beter te presteren voor een gerichte toepassing. Nu kunnen we kijken naar andere soorten perovskieten die niet alleen goed voor zonnecellen, maar ook voor LED’s of detectoren en begrijp hun werkingsprincipes.

“Wat nog belangrijker is, de verzameling acquisitietools die we in dit werk hebben ontwikkeld, kan worden uitgebreid om elk ander opto-elektronisch materiaal te bestuderen, iets dat van groot belang kan zijn voor de bredere materiaalwetenschappelijke gemeenschap.”

“Door deze visualisaties begrijpen we nu veel beter het landschap op nanoschaal in deze fascinerende halfgeleiders – de goede, de slechte en de lelijke”, zegt Sam Stranks, universitair docent energie aan de afdeling Chemische Technologie en Biotechnologie van Cambridge.

“Deze resultaten verklaren hoe de empirische optimalisatie van deze materialen door het veld deze perovskieten met gemengde samenstelling tot zulke hoge prestaties heeft gedreven. Maar het heeft ook blauwdrukken onthuld voor het ontwerp van nieuwe halfgeleiders die vergelijkbare kenmerken kunnen hebben – waar wanorde kan worden uitgebuit om de prestaties aan te passen .”