Atomfilme könnten helfen zu erklären, warum Perowskit-Solarzellen effizienter sind

Anonim

In den letzten Jahren haben Perowskite die Solarzellenindustrie im Sturm erobert. Sie sind billig, einfach zu produzieren und sehr flexibel in ihren Anwendungen. Ihre Effizienz bei der Umwandlung von Licht in Elektrizität ist schneller gewachsen als bei jedem anderen Material - von unter vier Prozent im Jahr 2009 auf über 20 Prozent im Jahr 2017 - und einige Experten glauben, dass Perowskite schließlich das gängigste Solarzellenmaterial, Silizium, übertreffen könnte. Aber trotz ihrer Popularität wissen die Forscher nicht, warum Perowskite so effizient sind.

Jetzt haben Experimente mit einer leistungsstarken "Elektronenkamera" am SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums entdeckt, dass Licht in Perowskiten umherwirbelt, was möglicherweise die hohe Effizienz dieser Solarzellenmaterialien der nächsten Generation erklärt und Hinweise für bessere Solarzellen liefert.

"Wir haben einen Schritt zur Lösung des Rätsels getan", sagten Aaron Lindenberg vom Stanford Institut für Material- und Energiewissenschaften (SIMES) und das Stanford PULSE Institute für ultraschnelle Wissenschaft, die gemeinsam von der Stanford University und SLAC betrieben werden. "Wir haben Filme aufgenommen, die zeigen, dass bestimmte Atome in einem Perowskit innerhalb von Billionstelsekunden auf sehr ungewöhnliche Weise auf Licht reagieren. Dies kann den Transport elektrischer Ladungen durch das Material erleichtern und seine Effizienz steigern."

Die Studie wurde heute in Science Advances veröffentlicht .

Licht setzt Atomstruktur in Bewegung

Wenn Licht auf ein Solarzellenmaterial scheint, verdrängt seine Energie einen Teil der negativ geladenen Elektronen des Materials. Dies hinterlässt "Elektronenlöcher" mit einer positiven Ladung, wo sich die Elektronen ursprünglich befanden. Elektronen und Löcher wandern zu gegenüberliegenden Seiten des Materials und erzeugen eine Spannung, die zum Antreiben elektrischer Geräte verwendet werden kann.

Die Effizienz einer Solarzelle hängt davon ab, wie frei sich Elektronen und Löcher im Material bewegen können. Ihre Mobilität hängt wiederum von der Atomstruktur des Materials ab. In Siliciumsolarzellen beispielsweise sind Siliziumatome in Kristallen sehr geordnet angeordnet, und selbst kleinste strukturelle Defekte verringern die Fähigkeit des Materials, Licht effizient zu gewinnen.

Daher müssen Siliziumkristalle in aufwändigen, mehrstufigen Verfahren unter extrem sauberen Bedingungen gezüchtet werden. Im Gegensatz dazu werden "Perowskite leicht durch Mischen von Chemikalien in ein Lösungsmittel hergestellt, das verdampft und einen sehr dünnen Film aus Perowskit-Material hinterlässt", sagte Xiaoxi Wu, der Hauptautor der Studie von SIMES bei SLAC. "Einfachere Verarbeitung bedeutet geringere Kosten. Im Gegensatz zu Silizium-Solarzellen sind Perowskit-Dünnschichten auch leicht und flexibel und können leicht auf praktisch jede Oberfläche aufgebracht werden."

Aber was genau ist es mit Perowskiten, die es einigen von ihnen erlauben, Licht sehr effizient zu ernten? Wissenschaftler denken, dass einer der Schlüssel ist, wie sich ihre Atome in Reaktion auf Licht bewegen.

Um mehr herauszufinden, untersuchten Wu und ihre Kollegen diese Bewegungen in einem Prototyp-Material aus Jod, Blei und einem organischen Molekül namens Methylammonium. Die Iodatome sind in Oktoedern angeordnet - achtseitige Strukturen, die aussehen wie zwei Pyramiden, die an ihren Basen verbunden sind. Die Bleiatome sitzen in den Oktoedern und die Methylammoniummoleküle sitzen zwischen den Oktoedern (siehe Abbildung unten). Diese Architektur ist vielen der für Solarzellenanwendungen untersuchten Perowskite gemein.

"Frühere Studien haben hauptsächlich die Rolle der Methylammoniumionen und ihre Bewegungen beim Transport elektrischer Ladung durch das Material untersucht", sagte Wu. "Wir haben jedoch entdeckt, dass Licht große Verformungen im Netzwerk von Blei- und Jodatomen verursacht, die für die Effizienz von Perowskiten entscheidend sein könnten."

Ungewöhnliche Verzerrungen können die Effizienz steigern

Am SLAC Accelerator Structure Test Area (ASTA) trafen die Forscher erstmals einen Perovskitfilm von weniger als zwei Millionstel Zoll Dicke mit einem 40-Femtosekunden-Laserpuls. Eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde. Um die atomare Antwort zu bestimmen, schickten sie einen 300-Femtosekunden-Puls hochenergetischer Elektronen durch das Material und beobachteten, wie die Elektronen im Film abgelenkt wurden. Diese Technik, ultraschnelle Elektronenbeugung (UFT) genannt, ermöglichte ihnen, die atomare Struktur zu rekonstruieren.

"Durch Wiederholung des Experiments mit unterschiedlichen Zeitverzögerungen zwischen den beiden Pulsen erhielten wir einen Stop-Motion-Film über die Bewegungen der Blei- und Jodatome nach dem Lichteinschlag", sagte Co-Autor Xijie Wang, leitender Wissenschaftler des SLAC für UED. "Die Methode ist vergleichbar mit einer Reihe von ultraschnellen Röntgen-Momentaufnahmen, aber Elektronen geben uns viel stärkere Signale für dünne Proben und sind weniger destruktiv."

Das Team erwartete, dass der Lichtpuls die Atome gleichmäßig in alle Richtungen beeinflussen würde, wodurch sie an ihren ursprünglichen Positionen wackeln würden.

"Aber das ist nicht passiert", sagte Lindenberg. "Innerhalb von 10 Billionenstel Sekunden nach dem Laserpuls rotierten die Iodatome um jedes Bleiatom, als ob sie sich auf der Oberfläche einer Kugel mit dem Bleiatom in der Mitte bewegten, wobei jedes Oktaeder von einer regelmäßigen Form in eine verzerrte Form wechselte. "

Die überraschenden Deformationen waren langlebig und unerwartet groß, ähnlich in der Größe, wie sie in schmelzenden Kristallen beobachtet wurden.

"Dieser Antrag könnte die Art ändern, wie sich die Ladungen bewegen", sagte Wu. "Diese Reaktion auf Licht könnte die Effizienz erhöhen, indem beispielsweise elektrische Ladungen durch Defekte wandern und sie davor schützen, im Material eingeschlossen zu werden."

"Die Ergebnisse der Lindenberg-Gruppe liefern faszinierende Einblicke in die Eigenschaften hybrider Perowskite mit ultraschneller Elektronenbeugung als einzigartigem Werkzeug", so Felix Deschler, Experte auf dem Gebiet der lichtinduzierten Physik neuartiger Materialien und Forscher im Cavendish Lab der Universität Cambridge.

"Das Wissen über die detaillierte atomare Bewegung nach Photoanregung liefert neue Informationen über ihre Leistung und kann neue Richtlinien für die Materialentwicklung liefern."

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