Onder de materialen die bekend staan ​​als perovskieten, een van de meest opwindende is een materiaal dat zonlicht even efficiënt in elektriciteit kan omzetten als de huidige commerciële siliciumzonnecellen en het potentieel heeft om veel goedkoper en gemakkelijker te produceren te zijn.

Er is slechts één probleem:van de vier mogelijke atomaire configuraties, of fasen, dit materiaal kan nemen, drie zijn efficiënt maar onstabiel bij kamertemperatuur en in gewone omgevingen, en ze keren snel terug naar de vierde fase, wat volkomen nutteloos is voor toepassingen op zonne-energie.

Nu hebben wetenschappers van Stanford University en het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy een nieuwe oplossing gevonden:plaats de nutteloze versie van het materiaal gewoon in een diamanten aambeeldcel en knijp het bij hoge temperatuur uit. Deze behandeling duwt de atomaire structuur in een efficiënte configuratie en houdt het zo, zelfs bij kamertemperatuur en in relatief vochtige lucht.

De onderzoekers beschreven hun resultaten in: Natuurcommunicatie .

"Dit is de eerste studie die druk gebruikt om deze stabiliteit te beheersen, en het opent echt veel mogelijkheden, " zei Yu Lin, een SLAC-stafwetenschapper en onderzoeker bij het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES).

"Nu we deze optimale manier hebben gevonden om het materiaal voor te bereiden, " ze zei, "er is potentieel om het op te schalen voor industriële productie, en voor het gebruik van dezelfde benadering om andere perovskietfasen te manipuleren."

Een zoektocht naar stabiliteit

Perovskieten ontlenen hun naam aan een natuurlijk mineraal met dezelfde atomaire structuur. In dit geval bestudeerden de wetenschappers een loodhalogenide-perovskiet dat een combinatie is van jodium, lood en cesium.

Een fase van dit materiaal, bekend als de gele fase, heeft geen echte perovskietstructuur en kan niet worden gebruikt in zonnecellen. Echter, Wetenschappers ontdekten een tijdje geleden dat als je het op een bepaalde manier verwerkt, het verandert in een zwarte perovskietfase die extreem efficiënt is in het omzetten van zonlicht in elektriciteit. "Dit heeft het zeer gewild en de focus van veel onderzoek gemaakt, " zei Stanford Professor en co-auteur van de studie Wendy Mao.

Helaas, deze zwarte fasen zijn ook structureel onstabiel en hebben de neiging om snel terug te vallen in de nutteloze configuratie. Plus, ze werken alleen met een hoog rendement bij hoge temperaturen, Mao zei, en onderzoekers zullen beide problemen moeten overwinnen voordat ze in praktische apparaten kunnen worden gebruikt.

Er waren eerdere pogingen geweest om de zwarte fasen te stabiliseren met chemie, spanning of temperatuur, maar alleen in een vochtvrije omgeving die niet overeenkomt met de reële omstandigheden waarin zonnecellen werken. Deze studie combineerde zowel druk als temperatuur in een meer realistische werkomgeving.

Druk en warmte doen de truc

In samenwerking met collega's in de Stanford-onderzoeksgroepen van Mao en professor Hemamala Karunadasa, Lin en postdoctoraal onderzoeker Feng Ke ontwierpen een opstelling waarbij gele fasekristallen tussen de toppen van diamanten werden geperst in wat bekend staat als een diamanten aambeeldcel. Met de druk er nog steeds op, de kristallen werden verwarmd tot 450 graden Celsius en vervolgens afgekoeld.

Onder de juiste combinatie van druk en temperatuur, de kristallen veranderden van geel in zwart en bleven in de zwarte fase nadat de druk was opgeheven, zeiden de wetenschappers. Ze waren bestand tegen bederf door vochtige lucht en bleven 10 tot 30 dagen of langer stabiel en efficiënt bij kamertemperatuur.

Onderzoek met röntgenstralen en andere technieken bevestigde de verschuiving in de kristalstructuur van het materiaal, en berekeningen door SIMES-theoretici Chunjing Jia en Thomas Devereaux gaven inzicht in hoe de druk de structuur veranderde en de zwarte fase bewaarde.

De druk die nodig was om de kristallen zwart te maken en zo te houden was ongeveer 1, 000 tot 6, 000 keer atmosferische druk, Lin zei - ongeveer een tiende van de druk die routinematig wordt gebruikt in de synthetische diamantindustrie. Dus een van de doelen voor verder onderzoek zal zijn om wat de onderzoekers hebben geleerd van hun experimenten met diamanten aambeeldcellen over te dragen aan de industrie en het proces op te schalen om het binnen het domein van de productie te brengen.