Er is een nieuwe techniek ontwikkeld waarmee betrouwbare opnamen met atomaire resolutie kunnen worden gemaakt, Voor de eerste keer, van hybride fotoactieve perovskiet dunne films. Deze afbeeldingen hebben belangrijke implicaties voor het verbeteren van de prestaties van zonnecelmaterialen en verruimen het begrip van deze technologisch belangrijke materialen. De doorbraak werd bereikt door een gezamenlijk team van de Universiteit van Oxford en Diamond Light Source, die zojuist een nieuw artikel hebben uitgebracht dat in Wetenschap op 30 oktober, getiteld "Atomic-schaal microstructuur van metaalhalogenide perovskiet."

Met behulp van de ePSIC (het Electron Physical Science Imaging Center) E02-microscoop en de ARM200-microscoop bij de afdeling Materialen, Universiteit van Oxford, het team ontwikkelde een nieuwe techniek waarmee ze de hybride fotoactieve perovskieten dunne films met atomaire resolutie konden afbeelden. Dit gaf hen ongekende inzichten in hun atomaire samenstelling en voorzag hen van informatie die onzichtbaar is voor elke andere techniek.

Dr. Mathias Uller Rothmann van de afdeling Natuurkunde, Universiteit van Oxford, verklaart, "Dit is de laatste stap op weg naar het kunnen beeld, en zo begrijpen, deze belangrijke zonnecelmaterialen op de meest fundamentele, atomair niveau. Het is een belangrijke ontdekking die nog niet eerder met succes is gedaan, ondanks het feit dat deze materialen de afgelopen acht jaar tot de meest intensief bestudeerde ter wereld behoren. Het materiaal beschadigt ongelooflijk snel onder een elektronenstraal, dus moesten we de elektronendosis verlagen tot het punt waarop we op de limieten liepen van wat de detectoren kunnen registreren. In feite, de schade gebeurt zo snel dat onder 'normale' beeldomstandigheden, de schade is aangericht voordat je het doorhebt. Dit betekent dat er waarschijnlijk relatief veel literatuur bestaat die observaties heeft gedaan op basis van de beschadigde versie van het materiaal, en niet degene die in de eigenlijke zonnecellen gaat."

De mechanismen achter de indrukwekkende prestaties van deze specifieke perovskieten moeten nog volledig worden begrepen, maar ze zijn waarschijnlijk afhankelijk van eigenschappen op atomair niveau die uniek voor hen kunnen zijn.

Dr. Chris Allen, hoofdelektronenmicroscopist bij ePSIC zegt; "Het afbeelden van bundelgevoelige materialen met atomaire resolutie is een enorme uitdaging, omdat de hoogenergetische elektronen de neiging hebben het monster te beschadigen, het veranderen van de atomaire structuur. Door een beeldvormingstechniek aan te passen die gewoonlijk niet wordt geassocieerd met beeldvorming met een lage elektronendosis, deze samenwerking tussen wetenschappers van de Universiteit van Oxford en ePSIC heeft een ongekende resolutie opgeleverd over deze belangrijke klasse materialen. Dit heeft niet alleen vragen beantwoord over de atomaire structuur van hybride perovskieten, maar opent ook mogelijkheden voor onderzoek naar veel andere straalgevoelige materialen."

Het artikel bespreekt een combinatie van omstandigheden die nu kunnen worden gebruikt om de materialen in beeld te brengen, evenals afbeeldingen van microscopische eigenschappen die nog nooit eerder in deze materialen zijn waargenomen. Het team beschrijft dit als revolutionair omdat het wetenschappers in staat stelt om precies te bestuderen wat de lokale samenstelling van de films is met atomaire precisie en nauwkeurigheid. Deze techniek wordt vrij veel gebruikt om andere materialen te bestuderen, maar vanwege de opmerkelijk onstabiele aard van de fotoactieve perovskieten, vooral onder een elektronenstraal, dit was tot nu toe niet mogelijk voor hybride perovskieten.

"Met behulp van ons protocol, we hebben de exacte atomaire aard van korrelgrenzen kunnen beschrijven, een van de meest slecht begrepen aspecten van perovskiet-zonnecellen, evenals het beschrijven van een geheel nieuwe reeks kristaldefecten die een aanzienlijke impact kunnen hebben op de macroscopische prestaties van zonnecelapparaten. Je zou kunnen zeggen dat we nu het volgende niveau hebben ontgrendeld om deze opwindende materialen te begrijpen. Hoewel we nog geen volledig beeld hebben van wat dit betekent voor de ontwikkeling van deze zonnecellen, onderzoekers zullen nu definitieve antwoorden kunnen geven in plaats van gefundeerde gissingen wanneer ze vragen proberen te beantwoorden over de microscopische eigenschappen van perovskiet-zonnecelmaterialen. Het beantwoorden van deze vragen zal een enorme stap zijn in het begeleiden van het veld naar steeds beter presterende zonnecellen, en, misschien, om een ​​klimaatcatastrofe te voorkomen, " concludeert Dr. Rothmann.

De nieuwe techniek van het team stelde hen in staat om een ​​volledig nieuwe reeks fenomenen te observeren met betrekking tot hybride perovskieten, inclusief belangrijke eigenschappen zoals de exacte samenstelling van de korrelgrenzen en andere interfaces, die andere technieken niet hebben kunnen oplossen. Aanvullend, het team observeerde een reeks kristallografische defecten die nooit zijn overwogen voor hybride perovskieten en waarvan bekend is dat ze in andere zonnecelmaterialen zeer schadelijk zijn voor de algehele prestaties. Het verwijderen van deze defecten is belangrijk voor hoge prestaties, maar tot nu toe, het was onmogelijk om hun aanwezigheid betrouwbaar te identificeren.