Under de senaste åren har perovskiter har tagit solcellsindustrin med storm. De är billiga, lätt att producera och mycket flexibel i sina applikationer. Deras effektivitet vid omvandling av ljus till el har ökat snabbare än för något annat material - från under fyra procent 2009 till över 20 procent 2017 - och vissa experter tror att perovskiter så småningom kan överträffa det vanligaste solcellsmaterialet, kisel. Men trots deras popularitet, forskare vet inte varför perovskiter är så effektiva.

Nu har experiment med en kraftfull "elektronkamera" vid Department of Energy:s SLAC National Accelerator Laboratory upptäckt att ljus virvlar runt atomer i perovskiter, potentiellt förklarar den höga effektiviteten hos dessa nästa generations solcellsmaterial och ger ledtrådar för att göra bättre.

"Vi har tagit ett steg mot att lösa mysteriet, "säger Aaron Lindenberg från Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) och Stanford PULSE Institute for ultrafast science, som drivs gemensamt av Stanford University och SLAC. "Vi spelade in filmer som visar att vissa atomer i en perovskit reagerar på ljus inom biljondelar av en sekund på ett mycket ovanligt sätt. Detta kan underlätta transporten av elektriska laddningar genom materialet och öka dess effektivitet."

Studien publicerades idag i Vetenskapliga framsteg .

Ljus sätter atomstrukturen i rörelse

När ljuset lyser på ett solcellsmaterial, dess energi förskjuter några av materialets negativt laddade elektroner. Detta efterlämnar "elektronhål" med en positiv laddning där elektronerna ursprungligen befann sig. Elektroner och hål migrerar till motsatta sidor av materialet, skapa en spänning som kan användas för att driva elektriska enheter.

En solcells effektivitet beror på hur fritt elektroner och hål kan röra sig i materialet. Deras rörlighet, i tur och ordning, beror på materialets atomstruktur. I kiselsolceller, till exempel, kiselatomer ställer sig på ett mycket ordnat sätt inuti kristaller, och även de minsta strukturella defekterna minskar materialets förmåga att effektivt skörda ljus.

Som ett resultat, kiselkristaller måste odlas dyrt, flerstegsförfaranden under extremt rena förhållanden. I kontrast, "Perovskiter produceras lätt genom att blanda kemikalier i ett lösningsmedel, som avdunstar för att lämna en mycket tunn film av perovskitmaterial, "sa Xiaoxi Wu, studiens huvudförfattare från SIMES vid SLAC. "Enklare bearbetning innebär lägre kostnader. Till skillnad från kiselsolceller, perovskit tunna filmer är också lätta och flexibla och kan enkelt appliceras på praktiskt taget vilken yta som helst. "

Men vad är det egentligen med perovskiter som gör att några av dem kan skörda ljus mycket effektivt? Forskare tror att en av nycklarna är hur deras atomer rör sig som svar på ljus.

För att ta reda på mer, Wu och hennes kollegor studerade dessa rörelser i ett prototypmaterial av jod, bly och en organisk molekyl som kallas metylammonium. Jodatomerna är arrangerade i octohedra - åttasidiga strukturer som ser ut som två pyramider förenade vid sina baser. Blyatomerna sitter inne i oktoedran och metylammoniummolekylerna sitter mellan oktoeder (se diagram nedan). Denna arkitektur är gemensam för många av de perovskiter som undersökts för solcellstillämpningar.

"Tidigare studier har mest undersökt metylammoniumjonernas roll och deras rörelser för att transportera elektrisk laddning genom materialet, "Wu sa." Men Vi har upptäckt att ljus orsakar stora deformationer i nätverket av bly och jodatomer som kan vara avgörande för perovskites effektivitet. "

Ovanliga snedvridningar kan öka effektiviteten

Vid SLAC:s acceleratorstrukturområde (ASTA), forskarna slog först en perovskitfilm, mindre än två miljoner av en tum tjock, med en laserpuls på 40 femtosekunder. En femtosekund är en miljonedel av en miljarddel av en sekund. För att bestämma atomresponsen, de skickade en 300-femtosekunds puls av mycket energiska elektroner genom materialet och observerade hur elektronerna avböjdes i filmen. Denna teknik, kallas ultrasnabb elektrondiffraktion (UED), tillät dem att rekonstruera atomstrukturen.

"Genom att upprepa experimentet med olika tidsfördröjningar mellan de två pulserna, vi erhöll en stop-motion-film av bly- och jodatoms rörelser efter ljuset, "sa medförfattaren Xijie Wang, SLAC:s ledande forskare för UED. "Metoden liknar att ta en serie ultrasnabba röntgenbilder, men elektroner ger oss mycket starkare signaler för tunna prover och är mindre destruktiva. "

Teamet förväntade sig att ljuspulsen skulle påverka atomer jämnt i alla riktningar, får dem att jiggla runt sina ursprungliga positioner.

"Men det var inte det som hände, "Sa Lindenberg." Inom 10 biljoner sekunder av laserpulsen, jodatomerna roterade runt varje blyatom som om de rörde sig på ytan av en sfär med blyatomen i mitten, byta varje oktaeder från en vanlig form till en förvrängd. "

De överraskande deformationerna var långlivade och oväntat stora, liknande storlek som de som observerats i smältande kristaller.

"Denna motion kan förändra hur laddningar rör sig, "Wu sa." Detta svar på ljus kan öka effektiviteten, till exempel genom att låta elektriska laddningar vandra genom defekter och skydda dem från att fastna i materialet. "

"Resultaten från Lindenberg-gruppen ger fascinerande första gången inblick i egenskaperna hos hybridperovskiter som använder ultrasnabb elektrondiffraktion som ett unikt verktyg, "enligt Felix Deschler, en expert inom ljusinducerad fysik av nya material och en forskare vid Cambridge University Cavendish Lab.

"Kunskap om den detaljerade atomrörelsen efter fotoexcitation ger ny information om deras prestanda och kan ge nya riktlinjer för materialutveckling."