Onderzoekers van de Cava Group van de afdeling Scheikunde van de Princeton University hebben de redenen voor instabiliteit in een anorganische perovskiet ontraadseld dat veel aandacht heeft gekregen vanwege zijn potentieel bij het maken van zeer efficiënte zonnecellen.

Met behulp van enkelkristal röntgendiffractie uitgevoerd aan de Princeton University en röntgenpaarverdelingsfunctiemetingen uitgevoerd in het Brookhaven National Laboratory, Onderzoekers van het Princeton Department of Chemistry ontdekten dat de bron van thermodynamische instabiliteit in het halide perovskiet cesium-loodjodide (CsPbI3) het anorganische cesiumatoom is en zijn "rammelende" gedrag binnen de kristalstructuur.

Röntgendiffractie levert een duidelijke experimentele signatuur op van deze beweging.

Het onderzoek, "De instabiliteit van de Halide Perovskiet CsPbI . begrijpen ₃ door middel van temperatuurafhankelijke structurele analyse, " verschijnt volgende week in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

Daniël Straus, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in de Cava Group en hoofdauteur van het papier, legde uit dat hoewel cesium een ​​enkele plaats in de structuur inneemt bij temperaturen onder 150 K, het "splitst" in twee locaties boven 175 K. Samen met andere structurele parameters, dit suggereert bewijs van het ratelende gedrag van cesium in zijn jodiumcoördinatieveelvlak.

In aanvulling, het lage aantal cesium-jodiumcontacten in de structuur en de hoge mate van lokale octaëdrische vervorming dragen ook bij aan de instabiliteit.

In het onderzoek, de eenkristalmetingen kenmerkten de gemiddelde structuur van het materiaal. Bij Brookhaven, de röntgenpaarverdelingsfunctie stelde onderzoekers in staat om het gedrag van de structuur op de lengteschaal van de eenheidscel te bepalen. (Een eenheidscel is de kleinste herhalende eenheid in een kristal.) Het is op dit lokale niveau dat de hoge mate van octaëdrische vervorming duidelijk werd, zei Straus.

De metastabiliteit bij kamertemperatuur van CsPbI ₃ is al lang een bekende factor, maar het was niet eerder uitgelegd.

"Het is geweldig om een ​​verklaring te vinden voor een probleem waar zoveel mensen in de onderzoeksgemeenschap in geïnteresseerd zijn, en onze samenwerking met Brookhaven was meer dan fantastisch, " zei Robert Cava, de Russell Wellman Moore hoogleraar scheikunde, een expert in synthese en karakterisering van structuureigenschappen.

"Opmerkelijke" efficiëntie

Momenteel, het dominante halide-perovskiet in toepassingen voor het omzetten van zonne-energie is gebaseerd op methylammonium-loodjodide, een organisch-anorganisch hybride materiaal dat is verwerkt in zonnecellen met een gecertificeerde efficiëntie van 25,2%; dit wedijvert met de efficiëntie van commerciële siliciumzonnecellen. Hoewel deze "opmerkelijke" efficiëntie de interesse wekt, methylammoniumloodjodide lijdt aan instabiliteitsproblemen waarvan wordt aangenomen dat ze voortkomen uit de vluchtige aard van het organische kation. Om dit probleem te verhelpen, onderzoekers hebben geprobeerd het organische kation te vervangen door anorganisch cesium, die aanzienlijk minder volatiel is.

Echter, in tegenstelling tot methylammoniumloodjodide, de perovskietfase van cesiumloodjodide is metastabiel bij kamertemperatuur.

"Als je een zonnecel wilt maken met ongemodificeerd cesium-loodjodide, het zal heel moeilijk zijn om hier omheen te werken en dit materiaal te stabiliseren, "zei Straus. "Je moet een manier vinden om het te stabiliseren die werkt rond het feit dat dit cesiumatoom een ​​beetje te klein is. Er zijn een paar manieren waarop mensen hebben geprobeerd CsPbI3 chemisch te wijzigen en dat werkt goed. Maar het heeft geen zin om alleen maar zonnecellen te maken van dit bulkmateriaal zonder er gekke dingen mee te doen."

Gedetailleerde structurele informatie in het artikel suggereert methoden om de perovskietfase van CsPbI . te stabiliseren ₃ en zo de stabiliteit van halide-perovskiet-zonnecellen te verbeteren. Het artikel onthult ook de beperkingen van tolerantiefactormodellen bij het voorspellen van stabiliteit voor halide-perovskieten. De meeste van deze modellen voorspellen momenteel dat CsPbI ₃ stabiel moet zijn.

Bij Brookhaven Lab

Een techniek die bekend staat als een paarverdelingsfunctiemeting, die de verdeling van afstanden tussen atomen beschrijft, hielp de Princeton-onderzoekers om de instabiliteit beter te begrijpen. Using Brookhaven's Pair Distribution Function (PDF) beamline at the National Synchrotron Light Source II, lead beamline scientist Milinda Abeykoon worked with samples of thermodynamically unstable CsPbI ₃ , which he received from the Cava Lab in several sealed glass capillaries inside a container filled with dry ice.

Measuring these samples was challenging, said Abeykoon, because they would decompose quickly once removed from the dry ice.

"Thanks to the extremely bright X-ray beam and large area detectors available at the PDF beamline, I was able to measure the samples at multiple temperatures below 300 K before they degraded, " said Abeykoon. "When the X-ray beam bounces off the sample, it produces a pattern characteristic of the atomic arrangement of the material. This gives us the possibility to see not only what is happening at the atomic scale, but also how the material behaves in general in one measurement."

Cava lauded the 45-year relationship he has had with Brookhaven, which began with experiments he completed there for his Ph.D. thesis in the 1970s. "We have had several great collaborations with Brookhaven, " hij zei.