In recente jaren, perovskieten hebben de zonnecelindustrie stormenderhand veroverd. Ze zijn goedkoop, gemakkelijk te produceren en zeer flexibel in hun toepassingen. Hun efficiëntie bij het omzetten van licht in elektriciteit is sneller gegroeid dan die van enig ander materiaal - van minder dan vier procent in 2009 tot meer dan 20 procent in 2017 - en sommige experts zijn van mening dat perovskieten uiteindelijk beter kunnen presteren dan het meest voorkomende zonnecelmateriaal. silicium. Maar ondanks hun populariteit, onderzoekers weten niet waarom perovskieten zo efficiënt zijn.

Nu hebben experimenten met een krachtige "elektronencamera" in het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy ontdekt dat licht atomen ronddraait in perovskieten, mogelijk de hoge efficiëntie van deze volgende generatie zonnecelmaterialen verklaren en aanwijzingen geven voor het maken van betere.

"We hebben een stap gezet in de richting van het oplossen van het mysterie, " zei Aaron Lindenberg van het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) en het Stanford PULSE Institute voor ultrasnelle wetenschap, die gezamenlijk worden beheerd door Stanford University en SLAC. "We hebben films opgenomen die laten zien dat bepaalde atomen in een perovskiet op een zeer ongebruikelijke manier binnen een biljoenste van een seconde op licht reageren. Dit kan het transport van elektrische ladingen door het materiaal vergemakkelijken en de efficiëntie ervan vergroten."

Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Licht zet atoomstructuur in beweging

Wanneer licht op een zonnecelmateriaal schijnt, zijn energie verdringt een deel van de negatief geladen elektronen van het materiaal. Dit laat "elektronengaten" achter met een positieve lading waar de elektronen zich oorspronkelijk bevonden. Elektronen en gaten migreren naar weerszijden van het materiaal, het creëren van een spanning die kan worden gebruikt om elektrische apparaten van stroom te voorzien.

Het rendement van een zonnecel hangt af van hoe vrij elektronen en gaten in het materiaal kunnen bewegen. Hun mobiliteit, beurtelings, hangt af van de atomaire structuur van het materiaal. In silicium zonnecellen, bijvoorbeeld, siliciumatomen staan ​​op een zeer ordelijke manier opgesteld in kristallen, en zelfs de kleinste structurele defecten verminderen het vermogen van het materiaal om licht efficiënt te oogsten.

Als resultaat, siliciumkristallen moeten worden gekweekt in dure, meerstapsprocedures onder extreem schone omstandigheden. In tegenstelling tot, "Perovskieten worden gemakkelijk geproduceerd door chemicaliën in een oplosmiddel te mengen, dat verdampt en een zeer dunne film van perovskietmateriaal achterlaat, " zei Xiaoxi Wu, de hoofdauteur van de studie van SIMES bij SLAC. "Eenvoudigere verwerking betekent lagere kosten. In tegenstelling tot siliciumzonnecellen, dunne films van perovskiet zijn ook lichtgewicht en flexibel en kunnen gemakkelijk op vrijwel elk oppervlak worden aangebracht."

Maar wat is het precies met perovskieten waardoor sommigen van hen heel efficiënt licht kunnen oogsten? Wetenschappers denken dat een van de sleutels is hoe hun atomen bewegen als reactie op licht.

Om meer te weten te komen, Wu en haar collega's bestudeerden deze bewegingen in een prototype materiaal gemaakt van jodium, lood en een organisch molecuul genaamd methylammonium. De jodiumatomen zijn gerangschikt in octoëders - achtzijdige structuren die eruitzien als twee piramides die aan hun basis zijn verbonden. De loodatomen zitten in de octoëders en de methylammoniummoleculen zitten tussen de octoëders (zie onderstaande afbeelding). Deze architectuur is gemeenschappelijk voor veel van de perovskieten die zijn onderzocht voor zonneceltoepassingen.

"Eerdere studies hebben voornamelijk de rol van de methylammoniumionen en hun bewegingen bij het transporteren van elektrische lading door het materiaal onderzocht, " zei Wu. "Echter, we hebben ontdekt dat licht grote vervormingen veroorzaakt in het netwerk van lood- en jodiumatomen die cruciaal kunnen zijn voor de efficiëntie van perovskieten."

Ongewone vervormingen kunnen de efficiëntie verbeteren

Bij SLAC's Accelerator Structure Test Area (ASTA), de onderzoekers sloegen eerst een perovskietfilm, minder dan twee miljoenste van een inch dik, met een laserpuls van 40 femtoseconden. Een femtoseconde is een miljoenste van een miljardste van een seconde. Om de atomaire respons te bepalen, ze stuurden een puls van 300 femtoseconden van zeer energetische elektronen door het materiaal en observeerden hoe de elektronen in de film werden afgebogen. Deze techniek, ultrasnelle elektronendiffractie (UED) genoemd, stelde hen in staat om de atomaire structuur te reconstrueren.

"Door het experiment te herhalen met verschillende tijdsvertragingen tussen de twee pulsen, we kregen een stop-motionfilm van de bewegingen van de lood- en jodiumatomen nadat het licht was ingeslagen, " zei co-auteur Xijie Wang, SLAC's hoofdwetenschapper voor UED. "De methode is vergelijkbaar met het maken van een reeks ultrasnelle röntgenfoto's, maar elektronen geven ons veel sterkere signalen voor dunne monsters en zijn minder destructief."

Het team verwachtte dat de lichtpuls atomen gelijkmatig in alle richtingen zou beïnvloeden, waardoor ze rond hun oorspronkelijke posities heen en weer bewegen.

"Maar dat is niet wat er is gebeurd, Lindenberg zei. "Binnen 10 biljoenste van een seconde na de laserpuls, de jodiumatomen draaiden rond elk loodatoom alsof ze zich op het oppervlak van een bol bewogen met het loodatoom in het midden, het schakelen van elke octaëder van een regelmatige vorm naar een vervormde."

De verrassende vervormingen waren langlevend en onverwacht groot, vergelijkbaar in grootte met die waargenomen in smeltende kristallen.

"Deze beweging kan de manier waarop ladingen bewegen veranderen, Wu zei. "Deze reactie op licht kan de efficiëntie verbeteren, bijvoorbeeld door elektrische ladingen door defecten heen te laten migreren en ze te beschermen tegen opsluiting in het materiaal."

"De resultaten van de Lindenberg-groep bieden fascinerende eerste inzichten in de eigenschappen van hybride perovskieten met behulp van ultrasnelle elektronendiffractie als een uniek hulpmiddel, " volgens Felix Deschler, een expert op het gebied van door licht geïnduceerde fysica van nieuwe materialen en een onderzoeker aan het Cavendish Lab van de Universiteit van Cambridge.

"Kennis over de gedetailleerde atomaire beweging na foto-excitatie levert nieuwe informatie op over hun prestaties en kan nieuwe richtlijnen bieden voor materiaalontwikkeling."