En närmare titt på material som utgör konventionella solceller avslöjar ett nästan styvt arrangemang av atomer med liten rörelse. Men i hybridperovskiter, en lovande klass av solcellsmaterial, arrangemangen är mer flexibla och atomer dansar vilt runt, en effekt som påverkar solcellernas prestanda men har varit svår att mäta.

I ett papper publicerat i Förfaranden från National Academy of Sciences , ett internationellt team av forskare under ledning av U.S. Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory har utvecklat en ny förståelse för de vilda danserna och hur de påverkar perovskitmaterialets funktion. Resultaten kan förklara varför perovskit-solceller är så effektiva och kan hjälpa till att designa varmbärande solceller, en teoretisk teknik som nästan skulle fördubbla effektivitetsgränserna för konventionella solceller genom att omvandla mer solljus till användbar elektrisk energi.

Pusselbit

Perovskit solceller, som kan produceras vid rumstemperatur, erbjuda ett billigare och potentiellt bättre alternativ till konventionella solcellsmaterial som kisel, som måste tillverkas vid extremt höga temperaturer för att eliminera defekter. Men en brist på förståelse för vad som gör perovskitmaterial så effektiva vid omvandling av solljus till elektricitet har varit ett stort hinder för att producera ännu högre effektivitet perovskitsolceller.

"Det har egentligen bara varit de senaste fem eller sex åren som människor har utvecklat detta intensiva intresse för perovskitmaterial från solen, "säger Mike Toney, en framstående personalvetare vid SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Light Source (SSRL) som ledde studien. "Som en konsekvens, mycket av den grundläggande kunskapen om vad som får materialen att fungera saknas. I denna forskning, vi gav en viktig del av detta pussel genom att visa vad som skiljer dem från mer konventionella solcellsmaterial. Detta ger oss vetenskapliga underlag som gör att vi kan börja konstruera dessa material på ett rationellt sätt. "

Håller det varmt

När solljus träffar en solcell, en del av energin kan användas för att sparka elektroner i materialet upp till högre energitillstånd. Dessa elektroner med högre energi dras ut ur materialet, producerar el.

Men innan detta händer, en majoritet av solens energi går förlorad i värme med en del bråkdel också förlorad vid utvinning av användbar energi eller på grund av ineffektiv ljusinsamling. I många konventionella solceller, som de som är gjorda av kisel, akustiska fononer - en slags ljudvåg som sprider sig genom material - är det primära sättet att denna värme bärs genom materialet. Energin som förloras av elektronen som värme begränsar solcellens effektivitet.

I den här studien, teoretiker från Storbritannien, ledd av Imperial College -professor Aron Walsh och elektroniska strukturteoretiker Jonathan Skelton och Jarvist Frost, gav en teoretisk ram för tolkning av de experimentella resultaten. De förutspådde att akustiska fononer som reser genom perovskiter skulle ha korta livslängder till följd av de flexibla arrangemangen för dansatomer och molekyler i materialet.

Stanford -kemisterna Hema Karunadasa och Ian Smith kunde växa den stora, specialiserade enstaka kristaller som var avgörande för detta arbete. Med hjälp av Peter Gehring, en fysiker vid NIST Center for Neutron Research, laget spred neutroner från dessa perovskit -enkristaller på ett sätt som gjorde det möjligt för dem att spåra atomerna och molekylernas rörelse i materialet. Detta gjorde det möjligt för dem att exakt mäta livslängden för de akustiska fononerna.

Forskargruppen fann att i perovskiter, akustiska fononer är otroligt kortlivade, överlevde bara 10 till 20 biljoner sekunder av en sekund. Utan dessa fononer som transporterar värme genom materialet, elektronerna kan hålla sig varma och hålla fast vid sin energi när de dras ut ur materialet. Att utnyttja denna effekt kan potentiellt leda till varmbärande solceller med effektivitet som är nästan dubbelt så hög som konventionella solceller.

Dessutom, detta fenomen kan förklara hur perovskitsolceller fungerar så bra trots att materialet är fullt av defekter som skulle fånga elektroner och dämpa prestanda i andra material.

"Eftersom fononer i perovskiter inte reser särskilt långt, de värmer upp området kring elektronerna, vilket kan ge den boost som elektronerna behöver för att slippa fällorna och fortsätta på sitt glada sätt, "Säger Toney.

Omvandla energiproduktion

För att följa upp denna studie, forskare vid Center for Hybrid Organic-Oorganic Semiconductors for Energy (CHOISE) Energy Frontier Research Center som leds av DOE:s National Renewable Energy Laboratory kommer att undersöka detta fenomen i mer komplicerade perovskitmaterial som har visat sig vara mer effektiva i energienheter. De skulle vilja ta reda på hur förändring av materialets kemiska sammansättning påverkar akustiska fonlivslängder.

"Vi måste i grunden omvandla vårt energisystem så snabbt som möjligt, "säger Aryeh Gold-Parker, som ledde studien som doktorand. student vid Stanford University och SLAC. "När vi går mot en koldioxidsnål framtid, en mycket viktig del är att ha billiga och effektiva solceller. Förhoppningen hos perovskiter är att de kommer att leda till kommersiella solpaneler som är mer effektiva och billigare än de som finns på marknaden idag. "