Een nieuwe printtechniek bij lage temperatuur maakt de fabricage mogelijk van perovskiet-zonnecellen met hoge efficiëntie met grote kristallen die bedoeld zijn om stroomberovende korrelgrenzen te minimaliseren. De meniscus-assisted solution printing (MASP)-techniek verhoogt de efficiëntie van de stroomconversie tot bijna 20 procent door de kristalgrootte en -oriëntatie te regelen.

Het proces, die parallelle platen gebruikt om een ​​meniscus van inkt te maken die de metaalhalogenide-perovskiet-precursoren bevat, kan worden opgeschaald om snel grote gebieden van dichte kristallijne film op een verscheidenheid aan substraten te genereren, inclusief flexibele polymeren. De operationele parameters voor het fabricageproces werden gekozen met behulp van een gedetailleerde kinetische studie van perovskietkristallen die werden waargenomen tijdens hun vormings- en groeicyclus.

"We gebruikten een door meniscus ondersteunde oplossingsdruktechniek bij lage temperatuur om perovskietfilms van hoge kwaliteit te maken met sterk verbeterde opto-elektronische prestaties, " zei Zhiqun Lin, een professor aan de School of Materials Science and Engineering aan het Georgia Institute of Technology. "We begonnen met het ontwikkelen van een gedetailleerd begrip van de kristalgroeikinetiek, waardoor we wisten hoe de voorbereidende parameters moesten worden afgestemd om de fabricage van de films te optimaliseren."

De nieuwe techniek wordt op 7 juli gerapporteerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie . Het onderzoek is ondersteund door het Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) en de National Science Foundation (NSF).

Perovskieten bieden een aantrekkelijk alternatief voor traditionele materialen voor het opvangen van elektriciteit uit licht, maar bestaande fabricagetechnieken produceren typisch kleine kristallijne korrels waarvan de grenzen de elektronen kunnen vangen die worden geproduceerd wanneer fotonen de materialen raken. Bestaande productietechnieken voor het maken van perovskietfilms met grote korrels vereisen doorgaans hogere temperaturen, wat niet gunstig is voor polymere materialen die als substraat worden gebruikt - wat zou kunnen helpen de fabricagekosten te verlagen en flexibele perovskiet-zonnecellen mogelijk te maken.

Dus Lin, Onderzoekswetenschapper Ming He en collega's besloten een nieuwe benadering te proberen die berust op capillaire werking om perovskiet-inkt te trekken in een meniscus gevormd tussen twee bijna parallelle platen met een onderlinge afstand van ongeveer 300 micron. De bodemplaat beweegt continu, waardoor oplosmiddel kan verdampen aan de rand van de meniscus om kristallijn perovskiet te vormen. Terwijl de kristallen zich vormen, Er wordt verse inkt in de meniscus getrokken met hetzelfde fysieke proces dat een koffiering vormt op een absorberend oppervlak zoals papier.

"Omdat verdamping van oplosmiddelen het transport van voorlopers van binnen naar buiten in gang zet, perovskietprecursoren hopen zich op aan de rand van de meniscus en vormen een verzadigde fase, Lin legde uit. "Deze verzadigde fase leidt tot de kiemvorming en groei van kristallen. Over een groot gebied, we zien een vlakke en uniforme film met een hoge kristalliniteit en dichte groei van grote kristallen."

Om de optimale snelheid voor het verplaatsen van de platen vast te stellen, de afstand tussen platen en de temperatuur toegepast op de onderste plaat, de onderzoekers bestudeerden de groei van perovskietkristallen tijdens MASP. Met behulp van films genomen door een optische microscoop om de korrels te volgen, ze ontdekten dat de kristallen eerst kwadratisch groeien, maar langzaam tot een lineaire snelheid toen ze hun buren begonnen te raken.

"Als de kristallen hun buren tegenkomen, dat hun groei beïnvloedt, " merkte He op. "We ontdekten dat alle korrels die we bestudeerden een vergelijkbare groeidynamiek volgden en uitgroeiden tot een continue film op het substraat."

Het MASP-proces genereert relatief grote kristallen - 20 tot 80 micron in diameter - die het substraatoppervlak bedekken. Het hebben van een dichte structuur met minder kristallen minimaliseert de gaten die de stroom kunnen onderbreken, en vermindert het aantal grenzen die elektronen en gaten kunnen vangen en hen in staat stellen te recombineren.

Met behulp van films geproduceerd met het MASP-proces, de onderzoekers hebben zonnecellen gebouwd met een stroomconversie-efficiëntie van gemiddeld 18 procent - sommige zelfs tot 20 procent. De cellen zijn getest met meer dan 100 uur werking zonder inkapseling. "De stabiliteit van onze MASP-film is verbeterd door de hoge kwaliteit van de kristallen, ' zei Lin.

Doctor-blading is een van de conventionele fabricagetechnieken voor perovskiet waarbij hogere temperaturen worden gebruikt om het oplosmiddel te verdampen. Lin en zijn collega's verwarmden hun substraat tot slechts ongeveer 60 graden Celsius, die mogelijk compatibel zou zijn met polymere substraatmaterialen.

Tot dusver, de onderzoekers hebben monsters op centimeterschaal gemaakt, maar ze geloven dat het proces kan worden opgeschaald en toegepast op flexibele substraten, mogelijk de continue verwerking van de perovskietmaterialen mogelijk maakt. Dat zou kunnen helpen de kosten van het produceren van zonnecellen en andere opto-elektronische apparaten te verlagen.

"De door meniscus ondersteunde oplossingsprinttechniek zou voordelen hebben voor flexibele zonnecellen en andere toepassingen die een continu fabricageproces bij lage temperatuur vereisen, Lin voegde toe. "We verwachten dat het proces kan worden opgeschaald om een ​​hoge doorvoer te produceren, grootschalige perovskietfilms."

Een van de volgende stappen zijn het fabriceren van de films op polymeersubstraten, en het evalueren van andere unieke eigenschappen (bijv. thermisch en piëzotronisch) van het materiaal.