Zonnepanelen, ook wel fotovoltaïsche cellen genoemd, zijn afhankelijk van halfgeleiderapparaten of zonnecellen om energie van de zon om te zetten in elektriciteit.

Om elektriciteit op te wekken, hebben zonnecellen een elektrisch veld nodig om positieve ladingen van negatieve ladingen te scheiden. Om dit veld te krijgen, dopen fabrikanten de zonnecel meestal met chemicaliën, zodat een laag van het apparaat een positieve lading draagt ​​en een andere laag een negatieve lading. Dit meerlagige ontwerp zorgt ervoor dat elektronen van de negatieve kant van een apparaat naar de positieve kant stromen - een sleutelfactor in de stabiliteit en prestaties van het apparaat. Maar chemische doping en gelaagde synthese voegen ook extra kostbare stappen toe in de productie van zonnecellen.

Nu heeft een team van onderzoekers onder leiding van wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van DOE, in samenwerking met UC Berkeley, een unieke oplossing aangetoond die een eenvoudigere benadering biedt voor de productie van zonnecellen:een kristallijn zonnemateriaal met een ingebouwde elektrisch veld - een eigenschap die mogelijk wordt gemaakt door wat wetenschappers 'ferro-elektriciteit' noemen. Het materiaal werd eerder dit jaar gerapporteerd in het tijdschriftScience Advances .

Het nieuwe ferro-elektrische materiaal, dat in het laboratorium wordt gekweekt uit cesiumgermaniumtribromide (CsGeBr₃ of CGB) - opent de deur naar een eenvoudigere benadering van het maken van zonnecelapparaten. In tegenstelling tot conventionele zonnematerialen zijn CGB-kristallen inherent gepolariseerd, waarbij de ene kant van het kristal positieve ladingen opbouwt en de andere kant negatieve ladingen, geen doping vereist.

Behalve dat het ferro-elektrisch is, is CGB ook een loodvrij "halogenideperovskiet", een opkomende klasse van zonnematerialen die onderzoekers hebben geïntrigeerd vanwege hun betaalbaarheid en gemak van synthese in vergelijking met silicium. Maar veel van de best presterende halide-perovskieten bevatten van nature het element lood. Volgens andere onderzoekers die publiceren in Materials Today Energy in 2017 kunnen loodresten van de productie en verwijdering van perovskiet-zonnemateriaal het milieu vervuilen en zorgen voor de volksgezondheid geven. Om deze redenen hebben onderzoekers gezocht naar nieuwe halide-perovskiet-formuleringen die lood mijden zonder de prestaties in gevaar te brengen.

"Als je je een loodvrij zonnemateriaal kunt voorstellen dat niet alleen energie van de zon oogst, maar ook de toegevoegde bonus heeft van een natuurlijk, spontaan gevormd elektrisch veld, dan zijn de mogelijkheden in de zonne-energie- en elektronica-industrie behoorlijk opwindend," zei co-senior auteur Peidong Yang, een toonaangevende expert op het gebied van nanomaterialen die bekend staat om zijn baanbrekende werk in eendimensionale halfgeleidende nanodraden voor nieuwe zonneceltechnologieën en kunstmatige fotosynthese. Hij is een senior faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en een professor in chemie en materiaalwetenschappen en engineering aan UC Berkeley.

CGB zou ook een nieuwe generatie schakelapparatuur, sensoren en superstabiele geheugens kunnen bevorderen die reageren op licht, zei co-senior auteur Ramamoorthy Ramesh, die titels had van senior faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en hoogleraar materiaalwetenschappen en engineering aan UC Berkeley ten tijde van de studie en is nu vice-president van onderzoek aan Rice University.

Perovskiet-zonnefilms worden meestal gemaakt met behulp van goedkope oplossingscoatingmethoden, zoals spincoating of inkjetprinten. En in tegenstelling tot silicium, waarvoor een verwerkingstemperatuur van ongeveer 2732 graden Fahrenheit nodig is om tot een zonne-apparaat te produceren, kunnen perovskieten gemakkelijk worden verwerkt van een oplossing bij kamertemperatuur tot ongeveer 300 graden Fahrenheit - en voor fabrikanten zouden deze lagere verwerkingstemperaturen de energiekosten drastisch verlagen.

Maar ondanks hun potentiële boost voor de zonne-energiesector, zullen perovskiet-zonnematerialen pas marktklaar zijn als onderzoekers langdurige uitdagingen op het gebied van productsynthese en -stabiliteit en materiaalduurzaamheid overwinnen.

De perfecte ferro-elektrische perovskiet vastzetten

Perovskieten kristalliseren uit drie verschillende elementen; en elk perovskietkristal wordt afgebakend door de chemische formule ABX₃

De meeste perovskiet-zonnematerialen zijn niet ferro-elektrisch omdat hun kristallijne atomaire structuur symmetrisch is, zoals een sneeuwvlok. In de afgelopen decennia zijn onderzoekers op het gebied van hernieuwbare energie, zoals Ramesh en Yang, op jacht geweest naar exotische perovskieten met ferro-elektrisch potentieel, met name asymmetrische perovskieten.

Een paar jaar geleden vroeg eerste auteur Ye Zhang, die destijds een afgestudeerde student-onderzoeker van UC Berkeley was in het lab van Yang, zich af hoe ze een loodvrije ferro-elektrische perovskiet kon maken. Ze theoretiseerde dat het plaatsen van een germaniumatoom in het centrum van een perovskiet de kristalliniteit net genoeg zou vervormen om ferro-elektriciteit te veroorzaken. Bovendien zou een op germanium gebaseerde perovskiet het materiaal van lood bevrijden. (Zhang is nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Northwestern University.)

Maar hoewel Zhang zich op germanium had gericht, waren er nog steeds onzekerheden. Het bedenken van de beste loodvrije, ferro-elektrische perovskietformule is immers als het vinden van een speld in een hooiberg. Er zijn duizenden mogelijke formuleringen.

Dus werkten Yang, Zhang en team samen met Sinéad Griffin, een stafwetenschapper in de Molecular Foundry and Materials Sciences Division van Berkeley Lab, die gespecialiseerd is in het ontwerpen van nieuwe materialen voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder quantum computing en micro-elektronica.

Met steun van het Materials Project gebruikte Griffin supercomputers van het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) om geavanceerde theoretische berekeningen uit te voeren op basis van een methode die bekend staat als dichtheidsfunctionele theorie.

Door middel van deze berekeningen, die de atomaire structuur en chemische soorten als input gebruiken en eigenschappen zoals de elektronische structuur en ferro-elektriciteit kunnen voorspellen, richtten Griffin en haar team zich op CGB, de enige volledig anorganische perovskiet die alle vakjes op de onderzoekers aanvinkte. ferro-elektrische perovskiet-verlanglijstje:is het asymmetrisch? Ja, de atomaire structuur lijkt op een rhombohedraan, het kromme neefje van een rechthoek. Is het echt een perovskiet? Ja, de chemische formule:CeGeBr₃ – komt overeen met de veelbetekenende structuur van de perovskiet van ABX₃ .

De onderzoekers theoretiseerden dat de asymmetrische plaatsing van germanium in het midden van het kristal een potentiaal zou creëren dat, net als een elektrisch veld, positieve elektronen van negatieve elektronen scheidt om elektriciteit te produceren. Maar hadden ze gelijk?

Meten van het ferro-elektrische potentieel van CGB

Om daar achter te komen, kweekte Zhang minuscule nanodraden (100 tot 1.000 nanometer in diameter) en nanoplaten (ongeveer 200 tot 600 nanometer dik en 10 micron breed) van monokristallijn CGB met uitzonderlijke controle en precisie.

"Mijn lab probeert al jaren uit te vinden hoe lood kan worden vervangen door minder giftige materialen", zegt Yang. "Je hebt een geweldige techniek ontwikkeld om eenkristal-germaniumhalogenide-perovskieten te kweken - en het is een prachtig platform om ferro-elektriciteit te bestuderen."

Röntgenexperimenten bij de Advanced Light Source onthulden de asymmetrische kristallijne structuur van CGB, een signaal van ferro-elektriciteit. Elektronenmicroscopie-experimenten onder leiding van Xiaoqing Pan van UC Irvine hebben meer bewijs gevonden voor de ferro-elektriciteit van CGB:een "verplaatste" atomaire structuur gecompenseerd door het germaniumcentrum.

Meanwhile, electrical measurement experiments carried out in the Ramesh lab by Zhang and Eric Parsonnet, a UC Berkeley physics graduate student researcher and co-author on the study, revealed a switchable polarity in CGB, satisfying yet another requirement for ferroelectricity.

But a final experiment—photoconductivity measurements in Yang's UC Berkeley lab—yielded a delightful result, and a surprise. The researchers found that CGB's light absorption is tunable—spanning the spectrum of visible to ultraviolet light (1.6 to 3 electron volts), an ideal range for coaxing high energy conversion efficiencies in a solar cell, Yang said. Such tunability is rarely found in traditional ferroelectrics, he noted.

Yang says there is still more work to be done before the CGB material can make its debut in a commercial solar device, but he's excited by their results so far. "This ferroelectric perovskite material, which is essentially a salt, is surprisingly versatile," he said. "We look forward to testing its true potential in a real photovoltaic device." + Verder verkennen

Germanium-lood perovskiet-LED's:een nieuwe manier om toxiciteit te verminderen