Vernoemd naar een mineraal ontdekt in het Oeralgebergte van Rusland, perovskieten hebben centraal gestaan ​​als een klasse van materialen met eigenschappen die kunnen worden toegepast op toekomstige elektronica en energie-apparaten.

Halfgeleidende films gemaakt van perovskieten beloven flexibel, lichtgewicht zonnecellen die goedkoop zijn en gemakkelijk gemaakt kunnen worden van overvloedige materialen. Hoewel ze nog niet commercieel verkrijgbaar zijn - hindernissen zijn onder meer om ze stabieler en duurzamer te maken - kunnen ze de zonne-energie-industrie in de komende tien jaar of twee transformeren.

Voor wetenschappers, perovskieten bieden ook een interessante puzzel:begin met een willekeurig aantal variaties op de basisingrediënten om ze te maken - lood, jodide en methylammonium – en je eindigt met hetzelfde basismateriaal. Nog, tweaks aan de chemie in verschillende stadia van het proces kunnen leiden tot perovskieten met meer gewenste eigenschappen voor zonnecellen.

Voor onderzoekers van de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) en Stanford University, het mysterie en het potentieel van perovskieten komen samen in experimenten waarbij extreem heldere röntgenstralen worden gebruikt om de chemie van het materiaal te bestuderen op het moment dat het wordt gevormd. De gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science bij SLAC National Accelerator Laboratory biedt meerdere manieren om het probleem te benaderen en nieuwe inzichten over dit nuttige materiaal te ontdekken.

We vroegen SSRL-stafwetenschappers Christopher Tassone en Kevin Stone, Stanford Chemie Ph.D. student Aryeh Gold-Parker en Michael Toney, hoofd van de SSRL materiaalwetenschap divisie, wat ze onlangs hebben ontdekt over de chemie van perovskiet en waar ze hopen dat hun werk zal leiden.

Hun onderzoek is vandaag gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Hoe worden perovskieten gemaakt, en wat interesseert u in dit proces?

Steen:Je begint met het oplossen van enkele basisingrediënten in een oplosmiddel. Vervolgens deponeert u die oplossing en droogt u deze tot een film. De film wordt vervolgens omgezet in de uiteindelijke perovskiet door een behandeling zoals uitgloeien, wat inhoudt dat het wordt verwarmd tot een bepaalde temperatuur en vervolgens weer wordt afgekoeld. We zijn geïnteresseerd in de chemie van dat hele proces en hoe het in elke fase evolueert. Het idee is dat als je begrijpt wat we de 'formatiechemie' van perovskieten noemen, u kunt de materialen maken met de exacte eigenschappen die u wenst.

Gold-Parker:Er zijn tientallen verschillende methoden voor het afzetten van perovskietfilms, bijvoorbeeld. En deze methoden leiden tot verschillen in dikte, textuur, korrelgrootte en kristalliniteit van de films. In het labortorium, het creëren van perovskieten met onderscheidende kenmerken gebeurt meestal met vallen en opstaan. Ingenieurs brengen kleine wijzigingen aan in het proces om de specifieke eigenschap waarin ze geïnteresseerd zijn te optimaliseren, of dat nu zonnecelspanning of prestatie is. Trial and error kan werken, maar het is niet efficiënt.

Tassone:Mijn fractie is echt geïnteresseerd in hoe we grote hoeveelheden zonnepanelen heel goedkoop maken om te voldoen aan de groeiende vraag naar zonne-energie en schone energiedoelstellingen. Conventionele siliciumzonnecellen kunnen niet snel genoeg worden geproduceerd. We geloven dat als we de chemische transformaties kunnen begrijpen die plaatsvinden tijdens het proces van het maken van perovskiet-zonnecellen, we kunnen uiteindelijk betere processen ontwikkelen die voldoen aan de behoeften van de industrie.

Waar ging je laatste onderzoek over?

Gold-Parker:Ons onderzoek bouwt voort op het werk van andere groepen onderzoekers in Oxford, Cornell en Stanford die aantoonden dat het gebruik van chloor bij de verwerking kan leiden tot hoogwaardige perovskietfilms met indrukwekkende prestaties. Nadat de oplossing is afgezet, is er een tussenstap waarbij zich een kristallijne film vormt - we noemen dit een voorloper - en vervolgens verlaat een gasvormig zout van chloor, methylammoniumchloride (MACI) genaamd, de film voortdurend terwijl het wordt omgezet in een perovskiet. Een paar jaar geleden, een SSRL-onderzoek door mijzelf, Toney en collega's toonden aan dat er nog maar heel weinig chloor in het eindproduct zit. Ook al begin je met vrij veel chloor, het overgrote deel ervan gaat verloren bij de verwerking.

Stone:In dit laatste onderzoek wilden we weten:waar gaat het chloor naartoe en waar dient het voor? Waarom in de eerste plaats chloor? Waaruit bestaat de voorloper, en hoe beïnvloedt het deze transformatie?

Wat ben je te weten gekomen?

Stone:We waren in staat om erachter te komen wat de structuur van die kristallijne voorloper is, hoe de atomen in elkaar zitten, en hoeveel chloor er ongeveer aanwezig is. Als we het opwarmen tijdens de gloeifase, we zien dat de kristallijne voorloper een hele tijd blijft bestaan ​​voordat het begint te transformeren in perovskiet.

Gold-Parker:We konden ook aantonen dat de transformatie naar de uiteindelijke perovskiet wordt beperkt door de geleidelijke verdamping van MACl, en dat deze langzame transformatie daadwerkelijk zou kunnen leiden tot een perovskietmateriaal van hogere kwaliteit.

Toney:Er zijn ook bredere implicaties. Theorieberekeningen kunnen u met goede nauwkeurigheid vertellen welke eigenschappen uw materiaal zal hebben. Maar ze bieden bijna geen richtlijnen over hoe het te synthetiseren. Deze vraag heeft gedurende vele decennia de interesse in de wetenschappelijke gemeenschap gestimuleerd, maar nog meer in de afgelopen vijf jaar, in wat synthesewetenschap wordt genoemd:begrijpen hoe je iets maakt. Wat zijn de processen die het materiaal doormaakt, de paden? Deze studie is een heel mooi voorbeeld van het kunnen ontwarren van dat syntheseproces, en daardoor inzicht krijgen in hoe we het opnieuw kunnen ontwerpen.

Hoe heb je het bestudeerd?

Tassone:We gebruikten meerdere versies van twee technieken die röntgenverstrooiing en röntgenspectroscopie worden genoemd. Röntgenverstrooiing wordt gebruikt om structuur te bestuderen; het vertelt je waar de atomen zich bevinden in kristallijne materialen. Röntgenspectroscopie is een complementaire techniek. Het vertelt je over de chemie van de film, hoeveel van de verschillende chemische elementen aanwezig zijn en hoe ze zijn verbonden.

Gold-Parker:Met deze methoden konden we veranderingen in de kristalstructuur en de hoeveelheid chloor tijdens de transformatie onderzoeken, evenals de chemische toestand van het chloor. En heel belangrijk, we hebben elk van die technieken in situ gebruikt - of terwijl de veranderingen zich daadwerkelijk voordoen. SSRL heeft mogelijkheden van wereldklasse voor het ontwerpen en uitvoeren van dit soort in-situ experimenten die het daadwerkelijke proces bewaken in plaats van alleen de start- en eindpunten, en dat was echt krachtig.

Tassone:Wat dit resultaat en onze aanpak erg sterk maakt, is dat we de interpretatie van de verstrooiingsgegevens gebruiken om de interpretatie van de spectroscopiegegevens te informeren, en vice versa. We zouden dit mechanisme niet hebben opgelost zonder die dingen samen te brengen. In de paper leggen we een duidelijk pad uit voor iedereen die de processen wil bestuderen die betrokken zijn bij het maken van deze of andere materialen. Dit is een belangrijke stap in het onderzoek naar perovskieten, maar ook in het bredere veld van de synthesewetenschap dat Mike beschreef.

Wat is het volgende?

Stone:Ik zou graag willen onderzoeken wat er in de oplossing gebeurt voordat deze droogt, dus in een eerder stadium in het proces. Ik zou onze methoden ook willen uitbreiden met andere perovskietmaterialen.

Toney:Een ander punt om na te streven houdt verband met de rol van het chloor dat aanwezig is in de film in dit specifieke voorbeeld. Het fungeert als bemiddelaar of regelgever, en het vertraagt ​​de conversie. Hoe werkt dit algemene concept van een bemiddelaar - een verbinding die een doel dient maar niet in uw uiteindelijke materiaal terechtkomt - in dit proces of andere processen of materialen? Silicium is al minstens 50 jaar bestudeerd, perovskieten voor vijf, dus we hebben veel werk voor de boeg.

Tassone:Ik heb twee punten om vooruit te komen. Een daarvan is hoe we de processen ontwikkelen die op schaal werken en ervoor zorgen dat zonne-energie voor iedereen betaalbaar wordt en echt een grote impact heeft op ons energielandschap? De andere is, gebaseerd op het feit dat perovskieten de meest opwindende ontwikkeling van halfgeleiders zijn in de laatste twee decennia, hoe kunnen we de unieke eigenschappen van dit materiaal ook voor andere toepassingen benutten?