Kristallijne materialen die bekend staan ​​als perovskieten zouden de volgende supersterren van zonnecellen kunnen worden. De afgelopen jaren is onderzoekers hebben aangetoond dat een speciale klasse perovskieten - die bestaande uit een hybride van organische en anorganische componenten - zonlicht omzetten in elektriciteit met een efficiëntie van meer dan 20 procent en gemakkelijker te fabriceren en ongevoeliger zijn voor defecten dan de standaard zonnecel gemaakt van kristallijn silicium . Zoals vandaag gefabriceerd, echter, deze organische/anorganische perovskieten (OIP's) verslechteren ruim vóór de typische levensduur van 30 jaar voor siliciumcellen, waardoor het wijdverbreide gebruik ervan bij het benutten van zonne-energie wordt voorkomen.

Nu heeft een team onder leiding van Andrea Centrone van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en Jinsong Huang en Alexei Gruverman van de University of Nebraska het eerste solide bewijs gevonden voor een eigenschap van OIP's die een nieuwe manier kan bieden om hun lange levensduur te verbeteren. -termijnstabiliteit als zonnecellen.

Het onverwachte kenmerk dat het team ontdekte, staat bekend als ferroelasticiteit - een spontane herschikking van de interne structuur van OIP's waarin elk kristal zich opsplitst in een reeks kleine regio's, of domeinen, die dezelfde atomaire rangschikking hebben, maar die in verschillende richtingen zijn georiënteerd. Deze herschikking creëert een spontane spanning in elk domein die zelfs bestaat als er geen externe spanning (kracht) is.

"De rol van de ferro-elastische domeinen op de materiaalstabiliteit moet worden begrepen, ’ zei Centrone.

Bij hoge temperaturen, OIP-kristallen worden niet onderverdeeld en hebben overal dezelfde kubische rangschikking van atomen. Op kamertemperatuur, echter, de OIP-kristalstructuur verandert van kubisch naar tetragonaal, waarin een as van de kubus zich uitrekt. Dat is waar de ferro-elastische eigenschap van het materiaal in het spel komt.

"Om te transformeren van een kubieke naar een tetragonale opstelling, één as van de kubus moet langwerpig zijn. In het proces, elk kristal verdeelt zich in kleinere domeinen waarin de langwerpige as in een andere richting kan wijzen, wat leidt tot spontane interne spanning, ", legt teamlid Evgheni Strelcov van NIST en de Universiteit van Maryland uit.

Momenteel, het blijft onbekend of ferroelasticiteit een eigenschap is die de prestaties en stabiliteit van perovskiet-zonnecellen verbetert of belemmert, merkte Centrone op. Maar juist het feit dat OIP's deze interne structuur hebben, het opbreken van enkele kristallen in domeinen, belangrijk om te onderzoeken, hij voegde toe. Grenzen tussen kristallen - zogenaamde inter-graingrenzen - staan ​​bekend als zwakke punten, waar structurele defecten zich concentreren. evenzo, de grenzen tussen de nieuw ontdekte ferro-elastische domeinen binnen een enkel kristal - intra-grain-grenzen - kunnen ook de stabiliteit van OIP's en hun prestaties als zonnecellen beïnvloeden.

De onderzoekers ontdekten dat door de kristallen te buigen, ze konden betrouwbaar bewegen, de ferro-elastische korrelgrenzen creëren of elimineren - de grenzen tussen onderverdeelde kristalgebieden met verschillende oriëntaties - waardoor de grootte van elk domein wordt vergroot of verkleind. De buiging veranderde ook de relatieve fractie van domeinen die in verschillende oriëntaties wijzen. De onderzoekers beschreven onlangs hun werk in Science Advances.

In hun studie hebben het team vond geen bewijs dat de OIP's ferro-elektrisch waren; met andere woorden, dat ze domeinen vormden waar de scheiding van het centrum van positieve en negatieve elektrische ladingen in verschillende richtingen is uitgelijnd bij afwezigheid van een extern elektrisch veld. Deze bevinding is belangrijk, omdat sommige onderzoekers hadden gespeculeerd dat ferro-elektriciteit de onderliggende eigenschap zou kunnen zijn die OIP's veelbelovende kandidaten voor zonnecellen maakt.

De onderzoekers creëerden enkele hele kristallen die groot genoeg waren om ferro-elastische domeinen te onthullen, die verscheen als strepen met een optische microscoop. Ze bestudeerden ook OIP's bestaande uit polykristallijne dunne films, die werden onderzocht met behulp van nanoschaaltechnieken.

De onderzoekers gebruikten twee methoden op nanoschaal met behulp van atomic force microscope (AFM) -sondes om de ferroelasticiteit in dunne OIP-films te meten. Aan de Universiteit van Nebraska, Gruverman en zijn medewerkers gebruikten piëzoresponskrachtmicroscopie (PFM), die de elektrisch geïnduceerde mechanische respons van een OIP-monster in rust en onder mechanische spanning in kaart bracht door het monster voorzichtig te buigen.

Bij de andere methode laserpulsen van het zichtbare tot het infrarode bereik troffen een dunne film van perovskiet, waardoor het materiaal opwarmt en uitzet. De kleine uitzetting werd opgevangen en versterkt door de AFM-sonde met behulp van fotothermische geïnduceerde resonantie (PTIR), een techniek die de resolutie van een AFM combineert met de nauwkeurige informatie over de samenstelling van infraroodspectroscopie. PTIR-beeldvorming onthulde de aanwezigheid van microscopische strepen die aanhielden, zelfs wanneer de monsters werden onderworpen aan verwarming of toegepaste spanning. Experimenten toonden aan dat de strepen niet correleerden met de lokale chemische samenstelling of optische eigenschappen, maar waren te wijten aan verschillen in thermische uitzettingscoëfficiënt van de ferro-elastische domeinen.