Een opwindend nieuw zonnemateriaal, organisch-anorganische halide-perovskieten genaamd, zou op een dag de VS kunnen helpen zijn zonne-ambities te verwezenlijken en het elektriciteitsnet koolstofarm te maken. Duizend keer dunner dan silicium, perovskiet-zonnematerialen kunnen worden afgestemd om te reageren op verschillende kleuren van het zonnespectrum door simpelweg hun samenstellingsmix te veranderen.

Typisch vervaardigd uit organische moleculen zoals methylammonium en anorganische metaalhalogeniden zoals loodjodide, hybride perovskiet-zonnematerialen hebben een hoge tolerantie voor defecten in hun moleculaire structuur en absorberen zichtbaar licht efficiënter dan silicium, de norm van de zonne-industrie.

Allemaal samen, deze kwaliteiten maken perovskieten veelbelovende actieve lagen, niet alleen in fotovoltaïsche energie (technologieën die licht omzetten in elektriciteit), maar ook in andere soorten elektronische apparaten die reageren op of regelen van licht, waaronder light-emitting diodes (LED's), detectoren, en lasers.

"Hoewel perovskieten een groot potentieel bieden voor het enorm uitbreiden van zonne-energie, ze moeten nog worden gecommercialiseerd omdat hun betrouwbare synthese en stabiliteit op lange termijn wetenschappers al lang op de proef stellen, " zei Carolin Sutter-Fella, een wetenschapper bij de Molecular Foundry, een gebruikersfaciliteit voor nanowetenschappen in het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). "Nutsvoorzieningen, een pad naar perfecte perovskieten kan binnenkort binnen handbereik zijn."

Een recent Natuurcommunicatie onderzoek onder leiding van Sutter-Fella meldt dat de productie van zonnematerialen kan worden ondersteund door een geavanceerd nieuw instrument dat twee soorten licht gebruikt - onzichtbaar röntgenlicht en zichtbaar laserlicht - om de kristalstructuur en optische eigenschappen van een perovskietmateriaal te onderzoeken wordt gesynthetiseerd.

"Als mensen dunne zonnefilms maken, ze hebben meestal een speciaal syntheselab en moeten naar een ander lab gaan om het te karakteriseren. Met onze ontwikkeling, je kunt een materiaal tegelijkertijd volledig synthetiseren en karakteriseren, op dezelfde plaats, " ze zei.

Voor dit werk, Sutter-Fella stelde een internationaal team van topwetenschappers en ingenieurs samen om een ​​röntgenstraallijneindstation uit te rusten met een laser bij Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS).

Het zeer intense röntgenlicht van het nieuwe instrument stelt onderzoekers in staat om de kristalstructuur van het perovskietmateriaal te onderzoeken en details over snelle chemische processen te onthullen. Bijvoorbeeld, het kan worden gebruikt om te karakteriseren wat er gebeurt in de seconde voordat en nadat een druppel van een stollingsmiddel een vloeibare voorloperoplossing in een vaste dunne film transformeert.

Tegelijkertijd, zijn laser kan worden gebruikt om elektronen en gaten (elektrische ladingsdragers) in de dunne film van perovskiet te creëren, waardoor de wetenschappers de reactie van een zonnemateriaal op licht kunnen observeren, hetzij als afgewerkt product of tijdens de tussenstadia van materiaalsynthese.

"Door een eindstation met een röntgenstraallijn uit te rusten met een laser, kunnen gebruikers deze complementaire eigenschappen tegelijkertijd onderzoeken, " legde Sutter-Fella uit.

Deze combinatie van gelijktijdige metingen zou onderdeel kunnen worden van een geautomatiseerde workflow om de productie van perovskieten en andere functionele materialen in realtime te monitoren voor proces- en kwaliteitscontrole.

Perovskietfilms worden meestal gemaakt door spincoating, een betaalbare techniek die geen dure apparatuur of ingewikkelde chemische opstellingen vereist. En de zaak voor perovskieten wordt nog helderder als je bedenkt hoe energie-intensief het is om silicium te produceren in een zonne-apparaat - silicium vereist een verwerkingstemperatuur van ongeveer 2, 732 graden Fahrenheit. In tegenstelling tot, perovskieten worden gemakkelijk verwerkt van oplossing bij kamertemperatuur tot slechts 302 graden Fahrenheit.

Met het beamline-eindstation kunnen onderzoekers observeren wat er gebeurt tijdens de synthese, en in het bijzonder tijdens de eerste paar seconden van spincoating, een kritiek tijdvenster waarin de voorloperoplossing langzaam begint te stollen tot een dunne film.

Eerste auteur Shambhavi Pratap, die gespecialiseerd is in het gebruik van röntgenstralen om dunnefilm zonne-energiematerialen te bestuderen, speelde een cruciale rol bij de ontwikkeling van het instrument als ALS doctoraatsbursaal. Ze voltooide onlangs haar doctoraatsstudie in de Müller-Buschbaum-groep aan de Technische Universiteit van München.

"Met het instrument kunnen onderzoekers documenteren hoe kleine dingen die gewoonlijk als vanzelfsprekend worden beschouwd, een grote impact kunnen hebben op de materiaalkwaliteit en prestaties, ' zei Pratap.

"Om tegen lage kosten reproduceerbare en efficiënte zonnecellen te maken, alles is belangrijk, " zei Sutter-Fella. Ze voegde eraan toe dat de studie een teaminspanning was die een breed scala aan wetenschappelijke disciplines omvatte.

Het werk is het nieuwste hoofdstuk in een oeuvre waarvoor Sutter-Fella in 2017 een Berkeley Lab Early Career Laboratory Directed Research and Development (LDRD) Award ontving.

"We weten dat de onderzoeksgemeenschap geïnteresseerd is in het gebruik van deze nieuwe mogelijkheid bij de ALS, "zei ze. "Nu willen we het gebruiksvriendelijk maken, zodat meer mensen van dit eindstation kunnen profiteren."