Ett team av forskare under ledning av University of California San Diego har för första gången observerat förändringar i nanoskala djupt inuti hybridperovskitkristaller som kan erbjuda nya insikter om utveckling av låg kostnad, högeffektiva solceller.

Med hjälp av röntgenstrålar och lasrar, forskare studerade hur en ny lovande klass av solcellsmaterial, kallas hybridperovskiter, beter sig på nanoskalanivå under drift. Deras experiment visade att när spänning appliceras, joner migrerar inom materialet, skapa regioner som inte längre är lika effektiva på att omvandla ljus till elektricitet.

"Jonmigrering skadar prestandan hos det ljusabsorberande materialet. Att begränsa det kan vara en nyckel till att förbättra kvaliteten på dessa solceller, sa David Fenning, en professor i nanoteknik och medlem av Sustainable Power and Energy Center vid UC San Diego.

Laget, ledd av Fenning, omfattar forskare från AMOLF Institute i Nederländerna och Argonne National Laboratory. Forskare publicerade sina resultat i Avancerade material .

Hybridperovskiter är kristallina material gjorda av en blandning av både oorganiska och organiska joner. De är lovande material för att göra nästa generations solceller eftersom de är billiga att tillverka och är avsevärt effektiva på att omvandla ljus till el.

Dock, hybridperovskiter är inte särskilt stabila, vilket kan göra dem svåra att studera. Mikroskopiska tekniker som vanligtvis används för att studera solceller slutar ofta med att skada hybridperovskiterna eller kan inte avbilda bortom deras ytor.

Nu, ett UC San Diego-ledda team har visat att genom att använda en teknik som kallas nanoprobe röntgenfluorescens, de kan sondera djupt in i hybridperovskitmaterial utan att förstöra dem. "Detta är ett nytt fönster för att titta in i dessa material och se exakt vad som går fel, sa Fenning.

Forskarna studerade en typ av hybridperovskit som kallas metylammoniumblybromid, som innehåller negativt laddade bromjoner. Liksom andra hybridperovskiter, dess kristallina struktur innehåller många lediga platser, eller saknade atomer, som har misstänkts tillåta joner att röra sig lätt i materialet när en spänning appliceras.

Forskarna utförde först nanosond-röntgenfluorescensmätningar på kristallerna för att skapa högupplösta kartor över atomerna inuti materialet. Kartorna avslöjade att när spänning appliceras, bromjonerna migrerar från negativt laddade områden till positivt laddade områden.

Nästa, forskarna lyste en laser på kristallerna för att mäta en egenskap som kallas fotoluminescens - materialets förmåga att avge ljus när det exciteras av en laser - i olika områden av kristallerna. Ett bra solcellsmaterial avger ljus mycket bra, så ju högre fotoluminescens, desto effektivare bör solcellen vara. Områdena med högre bromkoncentrationer hade upp till 180 procent högre fotoluminescens än områden utarmade på bromjoner.

"Vi ser bromjonerna migrera inom några minuter och ser att de resulterande bromrika områdena har potential att bli bättre solceller samtidigt som prestandan försämras i bromfattiga områden, " sa Fenning. Fenning och hans team undersöker nu sätt att begränsa brommigrering i metylammoniumblybromid och andra hybridperovskiter. Forskare säger att ett potentiellt alternativ skulle vara att odla hybridperovskitkristaller under olika förhållanden för att minimera antalet vakanser och begränsa jonmigrering i den kristallina strukturen.