In het laatste decennium, perovskieten - een breed scala aan materialen met een specifieke kristalstructuur - zijn naar voren gekomen als veelbelovende alternatieven voor siliciumzonnecellen, omdat ze goedkoper en groener zijn om te produceren, terwijl een vergelijkbaar niveau van efficiëntie wordt bereikt.

Echter, perovskieten vertonen nog steeds aanzienlijke prestatieverliezen en instabiliteiten, vooral in de specifieke materialen die de hoogste ultieme efficiëntie beloven. Het meeste onderzoek tot nu toe heeft zich gericht op manieren om deze verliezen op te heffen, maar hun werkelijke fysieke oorzaken blijven onbekend.

Nutsvoorzieningen, in een krant die vandaag is gepubliceerd in Natuur , onderzoekers van de groep van Dr. Sam Stranks aan de afdeling Chemische Technologie en Biotechnologie van Cambridge University en Cavendish Laboratory, en Professor Keshav Dani's Femtosecond Spectroscopy Unit bij OIST in Japan, de oorzaak van het probleem identificeren. Hun ontdekking zou de inspanningen kunnen stroomlijnen om de efficiëntie van perovskieten te verhogen, waardoor ze dichter bij massaproductie komen.

Perovskietmaterialen zijn veel toleranter voor defecten in hun structuur dan siliciumzonnecellen, en eerder onderzoek uitgevoerd door de groep van Stranks wees uit dat tot op zekere hoogte, enige heterogeniteit in hun samenstelling verbetert hun prestaties als zonnecellen en lichtstralers.

Echter, de huidige beperking van perovskietmaterialen is de aanwezigheid van een "diepe val" veroorzaakt door een bepaald type defect, of kleine vlek, in het materiaal. Dit zijn gebieden in het materiaal waar bekrachtigde ladingsdragers vast kunnen komen te zitten en opnieuw kunnen combineren, hun energie verliezen aan warmte, in plaats van het om te zetten in bruikbare elektriciteit of licht. Dit ongewenste recombinatieproces kan grote gevolgen hebben voor het rendement en de stabiliteit van zonnepanelen en leds.

Tot nu, er was heel weinig bekend over de oorzaak van deze vallen, deels omdat ze zich nogal anders lijken te gedragen dan vallen in traditionele zonnecelmaterialen.

in 2015, Dr. Stranks en collega's publiceerden een Science-paper over de luminescentie van perovskieten, waaruit blijkt hoe goed ze zijn in het absorberen of uitstralen van licht. "We ontdekten dat het materiaal erg heterogeen was; je had vrij grote gebieden die helder en lichtgevend waren, en andere gebieden die echt donker waren, ", zegt Stranks. "Deze donkere gebieden komen overeen met vermogensverliezen in zonnecellen of LED's. Maar wat het stroomverlies veroorzaakte, was altijd een mysterie, vooral omdat perovskieten anders zo defecttolerant zijn."

Vanwege beperkingen van standaard beeldvormingstechnieken, de groep kon niet zeggen of de donkere gebieden door één werden veroorzaakt, grote valplaats, of vele kleinere vallen, waardoor het moeilijk was vast te stellen waarom ze zich alleen in bepaalde regio's vormden.

Later in 2017, Professor Keshav Dani's groep bij OIST publiceerde een paper in Natuur Nanotechnologie , waar ze een filmpje maakten van hoe elektronen zich gedragen in halfgeleiders nadat ze licht hebben geabsorbeerd. "Je kunt veel leren door te kunnen zien hoe ladingen in een materiaal of apparaat bewegen na het schijnen met licht. je kunt zien waar ze vast komen te zitten, "zegt Dani. "Echter, deze ladingen zijn moeilijk te visualiseren omdat ze erg snel bewegen - op de tijdschaal van een miljoenste van een miljardste van een seconde; en over zeer korte afstanden - op de lengteschaal van een miljardste van een meter."

Bij het horen van Dani's werk, Dr. Stranks stak zijn hand uit om te zien of ze konden samenwerken om het probleem aan te pakken door de donkere gebieden in perovskieten te visualiseren.

Het team van OIST gebruikte voor het eerst een techniek genaamd foto-emissie-elektronenmicroscopie (PEEM) op perovskieten, waar ze het materiaal met ultraviolet licht aftasten en een beeld opbouwden op basis van hoe de uitgezonden elektronen zich verspreidden.

Toen ze naar het materiaal keken, ze ontdekten dat de donkere gebieden vallen bevatten, ongeveer 10-100 nanometer lang, die clusters waren van kleinere vallocaties van atomaire grootte. Deze vallenclusters waren ongelijk verdeeld over het perovskietmateriaal, het verklaren van de heterogene luminescentie die werd gezien in het eerdere onderzoek van Stranks.

Intrigerend, toen de onderzoekers afbeeldingen van de valplaatsen over elkaar legden op afbeeldingen die de kristalkorrels van het perovskietmateriaal toonden, ze ontdekten dat de valclusters zich alleen op specifieke plaatsen vormden, op de grens tussen bepaalde korrels.

Om te begrijpen waarom dit alleen bij bepaalde korrelgrenzen gebeurde, de groepen werkten samen met het team van professor Paul Midgley van het Department of Materials Science and Metallurgy van Cambridge University met behulp van een techniek genaamd scanning-elektronendiffractie om gedetailleerde afbeeldingen van de perovskiet-kristalstructuur te maken. Het projectteam maakte gebruik van de elektronenmicroscopie-opstelling in de ePSIC-faciliteit in de Diamond Light Source Synchrotron, die beschikt over gespecialiseerde apparatuur voor het afbeelden van straalgevoelige materialen, zoals perovskieten.

"Omdat deze materialen erg straalgevoelig zijn, typische technieken die je zou gebruiken om de lokale kristalstructuur op deze lengteschalen te onderzoeken, zullen vrij snel het materiaal veranderen terwijl je ernaar kijkt, wat het interpreteren van de gegevens erg moeilijk kan maken", legt Tiarnan Doherty uit, een doctoraat student in de groep van Stranks en co-hoofdauteur van de studie. "In plaats daarvan, we waren in staat om zeer lage blootstellingsdoses te gebruiken en daarmee schade te voorkomen.

"Van het werk bij OIST, we wisten waar de vallenclusters zich bevonden, en bij ePSIC, we hebben rond diezelfde gebieden gescand om de lokale structuur te zien. We waren toen in staat om snel onverwachte variaties in de kristalstructuur rond de valclusters te lokaliseren."

De groep ontdekte dat de valclusters zich alleen vormden op kruispunten waar een gebied van het materiaal met een licht vervormde structuur een gebied met een ongerepte structuur ontmoette.

"Bij perovskieten, we hebben deze regelmatige mozaïekkorrels van materiaal en de meeste korrels zijn mooi en ongerept - de structuur die we zouden verwachten, " zegt Stranks. "Maar zo nu en dan, je krijgt een korrel die enigszins vervormd is en de chemie van die korrel is inhomogeen. Wat echt interessant was en ons aanvankelijk verwarde, was dat niet het vervormde graan de val is, maar waar dat graan een ongerept graan ontmoet; het is op die kruising dat de vallen clusteren."

Met dit begrip van de aard van de vallen, het team van OIST gebruikte ook de op maat gemaakte PEEM-instrumentatie om de dynamiek van het ladingdrager-vangproces in het perovskietmateriaal te visualiseren. "Dit was mogelijk omdat een van de unieke kenmerken van onze PEEM-opstelling is dat het ultrasnelle processen kan afbeelden - zo kort als femtoseconden, " legt Andrew Winchester uit, een doctoraat student in de afdeling van Prof. Dani, en co-hoofdauteur van deze studie. "We ontdekten dat het vangproces werd gedomineerd door ladingsdragers die naar de valclusters diffundeerden."

Deze ontdekkingen betekenen een grote doorbraak in de zoektocht om perovskieten op de markt voor zonne-energie te brengen.

"We weten nog steeds niet precies waarom de vallen zich daar clusteren, maar we weten nu dat ze zich daar vormen, en schijnbaar alleen daar, ", zegt Stranks. "Dat is spannend, want het betekent dat we nu weten waar we ons op moeten richten om de prestaties van perovskieten ter sprake te brengen. We moeten die inhomogene fasen aanpakken of op de een of andere manier van deze kruispunten afkomen."

'Het feit dat ladingsdragers eerst naar de vallen moeten diffunderen, kan ook wijzen op andere strategieën om deze apparaten te verbeteren, " zegt Dani. "Misschien kunnen we de opstelling van de vallenclusters veranderen of controleren, zonder noodzakelijkerwijs hun gemiddelde aantal te veranderen, zodat ladingsdragers deze defecte locaties minder snel zullen bereiken."

Het onderzoek van de teams was gericht op een bepaalde perovskietstructuur. De wetenschappers zullen nu onderzoeken of de oorzaak van deze vangclusters universeel is voor andere perovskietmaterialen.

"Het grootste deel van de vooruitgang in de prestaties van het apparaat is vallen en opstaan ​​​​en tot nu toe, dit is een nogal inefficiënt proces geweest, ", zegt Stranks. "Tot op heden, het is niet echt gedreven door het kennen van een specifieke oorzaak en daar systematisch op te mikken. Dit is een van de eerste doorbraken die ons zullen helpen om de fundamentele wetenschap te gebruiken om efficiëntere apparaten te ontwikkelen."