Door geavanceerde röntgenspectroscopiemetingen te combineren met berekeningen op basis van de fundamentele "eerste principes"-theorie, onderzoekers verkregen een atomaire schaal van perovskieten van organo-loodhalogenide die niet gemakkelijk te bereiken zijn met de huidige technologie.

De aanpak die ze volgen, werkt goed met structureel ongeordende materialen zoals halideperovskieten, die grote belangstelling hebben gewekt in de zonnecelindustrie vanwege de snelle toename van hun fotovoltaïsche efficiëntie in de afgelopen jaren. Door de structuur van perovskieten te begrijpen, kunnen onderzoekers bepalen hoe de zonne-efficiëntie van het materiaal kan worden gemaximaliseerd.

Halogeniden, zoals jodide of bromide, worden in verschillende verhoudingen gemengd om de eigenschappen in het materiaal af te stemmen, zoals bandhiaten, die het absorptierendement van de zon bepalen. Maar hierdoor ontstaat er wanorde in de structuur, waardoor het moeilijk is om traditionele beeldvormingsmethoden te gebruiken.

"De meeste beeldvormingstechnieken kunnen niet veel van de wanordelijke structuur oplossen, " zei Walter Drisdell, een stafwetenschapper bij de Chemical Sciences Division van Berkeley Lab. "Röntgenabsorptiespectroscopie, met hoge resolutie detectie, werkt omdat het kijkt naar de zeer lokale structuur en chemische omgeving rond de leidende centra zonder interferentie van wanorde op langere afstand."

De onderzoekers gebruikten een geavanceerde röntgenspectroscopische techniek bij de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) in het SLAC National Accelerator Laboratory van DOE. Ze koppelden hun resultaten aan theoriewerk uitgevoerd in Berkeley Lab's Molecular Foundry, waar ze de gegevens interpreteerden om de structurele details van de materialen te begrijpen.

"Door te koppelen aan onze eerste-principeberekeningen, we leerden dat thermische bewegingen, met name hellingen van de loodhalogenide-octaëders, zijn echt belangrijk in deze materialen, " zei Drisdell. "De hellingen vergroten de bandgap aanzienlijk ten opzichte van wat we voorspellen voor een geordende structuur. Voor dit, was er weinig bekend over de lokale structuur van deze gemengde materialen, en hoe die structuur de grootschalige eigenschappen beïnvloedt die belangrijk zijn voor efficiënte zonne-apparaten. We denken dat dit werk een mijlpaal is die aanzienlijke vooruitgang mogelijk maakt in het begrijpen van perovskiet fotovoltaïsche materialen."

Dit werk, gefinancierd door het Gemeenschappelijk Centrum voor Kunstmatige Fotosynthese, werpt licht op de chemische structuur en dynamiek in fotovoltaïsche materialen, en zou kunnen leiden tot verbeterde ontwerpen die de conversie van zonne-energie maximaliseren. JCAP is een Energy Innovation Hub ondersteund door DOE's Office of