Materiaalwetenschappers van Duke University hebben een methode ontwikkeld om hybride dunnefilmmaterialen te maken die anders moeilijk of onmogelijk te maken zouden zijn. De techniek kan de toegangspoort zijn tot nieuwe generaties zonnecellen, lichtgevende dioden en fotodetectoren.

Het onderzoeksteam beschreef hun methoden op 22 december, 2017 in het journaal ACS Energiebrieven .

Perovskieten zijn een klasse materialen die - met de juiste combinatie van elementen - een kristallijne structuur hebben waardoor ze bijzonder geschikt zijn voor op licht gebaseerde toepassingen. Hun vermogen om licht te absorberen en de energie ervan efficiënt over te dragen, maakt ze een gemeenschappelijk doelwit voor onderzoekers die nieuwe soorten zonnecellen ontwikkelen, bijvoorbeeld.

De meest voorkomende perovskiet die tegenwoordig in zonne-energie wordt gebruikt, methylammonium-loodjodide (MAPbI3), kunnen licht net zo goed omzetten in energie als de beste in de handel verkrijgbare zonnepanelen van dit moment. En het kan het met een fractie van het materiaal - een strook die 100 keer dunner is dan een typische zonnecel op basis van silicium.

Methylammonium-loodjodide is een van de weinige perovskieten die kunnen worden gemaakt met behulp van standaard industriële productietechnieken, hoewel het nog steeds problemen heeft met schaalbaarheid en duurzaamheid. Om het potentieel van perovskieten echt te ontsluiten, echter, nieuwe productiemethoden zijn nodig omdat het mengsel van organische en anorganische moleculen in een complexe kristallijne structuur moeilijk te maken kan zijn. Organische elementen zijn bijzonder delicaat, maar zijn cruciaal voor het vermogen van het hybride materiaal om licht effectief te absorberen en uit te zenden.

"Methylammoniumloodjodide heeft een zeer eenvoudige organische component, toch is het een zeer goed presterende lichtabsorbeerder, " zei David Mitzi, de Simon Family hoogleraar Werktuigbouwkunde en Materiaalkunde aan Duke. "Als we een nieuwe productiebenadering kunnen vinden die complexere moleculaire combinaties kan bouwen, het zal nieuwe scheikundegebieden openen voor multifunctionele materialen."

In de nieuwe studie Mitzi werkt samen met collega Adrienne Stiff-Roberts, universitair hoofddocent elektrische en computertechniek aan Duke, om zo'n productiebenadering te demonstreren. De techniek wordt Resonant Infrared Matrix-Assisted Pulsed Laser Evaporation genoemd, of kortweg RIR-MAPLE, en is het afgelopen decennium ontwikkeld door Stiff-Roberts van Duke.

Aangepast van een technologie uitgevonden in 1999 genaamd MAPLE, de techniek omvat het invriezen van een oplossing die de moleculaire bouwstenen voor de perovskiet bevat, en vervolgens het bevroren blok met een laser in een vacuümkamer te stralen.

Als een laser een klein stukje van het bevroren doelwit verdampt, ongeveer zo groot als een kuiltje in een golfbal, de damp gaat omhoog in een pluim die het bodemoppervlak bedekt van elk object dat boven je hangt, zoals een component in een zonnecel. Als er genoeg materiaal is opgebouwd, het proces wordt gestopt en het product wordt verwarmd om de moleculen te kristalliseren en de dunne film op zijn plaats te zetten.

In Stiff-Roberts' versie van de technologie, de frequentie van de laser is specifiek afgestemd op de moleculaire bindingen van het bevroren oplosmiddel. Hierdoor absorbeert het oplosmiddel de meeste energie, waardoor de delicate organische stoffen ongedeerd blijven terwijl ze naar het productoppervlak reizen.

"De RIR-MAPLE-technologie is extreem zacht voor de organische componenten van het materiaal, veel meer dan andere op laser gebaseerde technieken, " zei Stiff-Roberts. "Dat maakt het ook veel efficiënter, slechts een kleine fractie van de organische materialen nodig hebben om hetzelfde eindproduct te bereiken."

Hoewel er nog geen op perovskiet gebaseerde zonnecellen op de markt zijn, er zijn een paar bedrijven die methylammoniumloodjodide en andere nauw verwante materialen op de markt brengen. En hoewel de materialen die in dit onderzoek zijn gemaakt een beter zonnecelrendement hebben dan die gemaakt met andere op laser gebaseerde technologieën, ze bereiken nog niet die gemaakt met traditionele oplossingsgebaseerde processen.

Maar Mitzi en Stiff-Roberts zeggen dat dat niet hun doel is.

"Hoewel op oplossingen gebaseerde technieken ook mild kunnen zijn voor organische stoffen en geweldige hybride fotovoltaïsche materialen kunnen maken, ze kunnen niet worden gebruikt voor complexere en slecht oplosbare organische moleculen, ' zei Stiff-Roberts.

"Met deze demonstratie van de RIR-MAPLE-technologie, we hopen een hele nieuwe wereld van materialen te openen voor de zonnecelindustrie, " vervolgde Mitzi. "We denken ook dat deze materialen nuttig kunnen zijn voor andere toepassingen, zoals light-emitting diodes, fotodetectoren en röntgendetectoren."