Ett spännande nytt solmaterial som kallas organiska-oorganiska halogenidperovskiter kan en dag hjälpa USA att uppnå sina solambitioner och avkarbonisera elnätet. Tusen gånger tunnare än kisel, perovskit solmaterial kan ställas in för att svara på olika färger i solspektrumet helt enkelt genom att ändra deras sammansättningsmix.

Typiskt tillverkad av organiska molekyler som metylammonium och oorganiska metallhalogenider såsom blyjodid, hybrid perovskit solmaterial har en hög tolerans för defekter i deras molekylära struktur och absorberar synligt ljus mer effektivt än kisel, solindustrins standard.

Sammanlagt, dessa egenskaper gör perovskiter lovande aktiva lager inte bara i solceller (teknik som omvandlar ljus till elektricitet), men också i andra typer av elektroniska enheter som reagerar på eller styr ljus inklusive ljusdioder (LED), detektorer, och lasrar.

"Även om perovskiter erbjuder stor potential för att kraftigt expandera solenergi, de har ännu inte kommersialiserats eftersom deras tillförlitliga syntes och långsiktiga stabilitet länge har utmanat forskare, sa Carolin Sutter-Fella, en forskare vid Molecular Foundry, en användaranläggning för nanovetenskap vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). "Nu, en väg till perfekta perovskiter kan snart vara inom räckhåll. "

En nyligen Naturkommunikation studie som leds av Sutter-Fella rapporterar att tillverkning av solmaterial kan hjälpas av ett sofistikerat nytt instrument som använder två typer av ljus-osynligt röntgenljus och synligt laserljus-för att undersöka ett perovskitmaterials kristallstruktur och optiska egenskaper som det syntetiseras.

"När människor gör tunna solfilmer, de har vanligtvis ett dedikerat synteslabb och måste gå till ett annat laboratorium för att karakterisera det. Med vår utveckling, du kan syntetisera och karakterisera ett material samtidigt, på samma ställe, " Hon sa.

För detta arbete, Sutter-Fella samlade ett internationellt team av toppforskare och ingenjörer för att utrusta en röntgenstråleändstation med en laser vid Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS).

Det nya instrumentets mycket intensiva röntgenljus gör det möjligt för forskare att undersöka perovskitmaterialets kristallstruktur och avslöja detaljer om snabba kemiska processer. Till exempel, den kan användas för att karakterisera vad som händer i den andra före och efter att en droppe av ett stelnande medel omvandlar en flytande prekursorlösning till en fast tunn film.

På samma gång, dess laser kan användas för att skapa elektroner och hål (elektriska laddningsbärare) i perovskit tunn film, låta forskarna observera ett solmaterials reaktion på ljus, vare sig som en färdig produkt eller under de mellanliggande stadierna av materialsyntes.

"Att förse en röntgenstråleändstation med en laser gör det möjligt för användare att undersöka dessa komplementära egenskaper samtidigt, "förklarade Sutter-Fella.

Denna kombination av samtidiga mätningar kan bli en del av ett automatiserat arbetsflöde för att övervaka produktionen av perovskiter och andra funktionella material i realtid för process- och kvalitetskontroll.

Perovskitfilmer tillverkas vanligtvis genom spinnbeläggning, en prisvärd teknik som inte kräver dyr utrustning eller komplicerade kemiska inställningar. Och fallet för perovskiter blir ännu ljusare när man tänker på hur energikrävande det är att bara tillverka kisel till en solapparat-kisel kräver en bearbetningstemperatur på cirka 2, 732 grader Fahrenheit. I kontrast, perovskiter bearbetas enkelt från lösning vid rumstemperatur till bara 302 grader Fahrenheit.

Stråleändändstationen tillåter forskare att observera vad som händer under syntes, och i synnerhet under de första sekunderna av centrifugering, ett kritiskt tidsfönster under vilket prekursorlösningen långsamt börjar stelna till en tunn film.

Förste författaren Shambhavi Pratap, som specialiserat sig på användning av röntgenstrålar för att studera tunnfilms solenergimaterial, spelat en avgörande roll för att utveckla instrumentet som doktorand i ALS. Hon avslutade nyligen sina doktorandstudier i Müller-Buschbaum-gruppen vid Münchens tekniska universitet.

"Instrumentet gör det möjligt för forskare att dokumentera hur små saker som vanligtvis tas för givet kan ha stor inverkan på materialkvalitet och prestanda, Sa Pratap.

"För att göra reproducerbara och effektiva solceller till låg kostnad, allt spelar roll, "Sutter-Fella sa. Hon tillade att studien var ett lagarbete som spänner över ett brett spektrum av vetenskapliga discipliner.

Arbetet är det senaste kapitlet i en arbetsgrupp för vilken Sutter-Fella belönades med ett Berkeley Lab Early Career Laboratory Directed Research and Development (LDRD) -pris 2017.

"Vi vet att forskarsamhället är intresserat av att använda denna nya förmåga vid ALS, "sa hon." Nu vill vi göra det användarvänligt så att fler kan dra nytta av denna slutstation. "