Inblick i RIR-MAPLE-tekniken som har förmågan att bygga ny solcellskristallteknologi. Den vita cirkeln i mitten av bordet är en frusen lösning som innehåller de molekylära byggstenarna för solcellsmaterialet, som sprängs av lasrar, förångning av lösningen som bär materialen för att belägga botten av målet ovan. Kredit:E. Tomas Barraza
Materialforskare vid Duke University har utvecklat en metod för att skapa hybrid tunnfilmsmaterial som annars skulle vara svåra eller omöjliga att tillverka. Tekniken kan vara porten till nya generationer av solceller, lysdioder och fotodetektorer.
Forskargruppen beskrev sina metoder 22 dec. 2017 i tidningen ACS Energy Letters .
Perovskiter är en klass av material som - med rätt kombination av element - har en kristallin struktur som gör dem särskilt väl lämpade för ljusbaserade applikationer. Deras förmåga att absorbera ljus och effektivt överföra sin energi gör dem till ett gemensamt mål för forskare som utvecklar nya typer av solceller, till exempel.
Den vanligaste perovskiten som används i solenergi idag, metylammonium blyjodid (MAPbI3), kan omvandla ljus till energi lika bra som dagens bästa kommersiellt tillgängliga solpaneler. Och det kan göra det genom att använda en bråkdel av materialet - en flisa 100 gånger tunnare än en typisk kiselbaserad solcell.
Metylammonium blyjodid är en av de få perovskiter som kan skapas med standard industriproduktionstekniker, även om det fortfarande har problem med skalbarhet och hållbarhet. För att verkligen låsa upp potentialen hos perovskites, dock, nya tillverkningsmetoder behövs eftersom blandningen av organiska och oorganiska molekyler i en komplex kristallin struktur kan vara svår att tillverka. Organiska element är särskilt känsliga, men är avgörande för hybridmaterialets förmåga att absorbera och avge ljus effektivt.
Titta närmare på målet för fryst lösning som innehåller byggstenarna för solcellsmaterialet. Kredit:E. Tomas Barraza
"Metylammoniumblyjodid har en mycket enkel organisk komponent, ändå är en mycket högpresterande ljusabsorbent, sa David Mitzi, Simon Family Professor i maskinteknik och materialvetenskap vid Duke. "Om vi kan hitta en ny tillverkningsmetod som kan bygga mer komplexa molekylära kombinationer, det kommer att öppna nya världar av kemi för multifunktionella material."
I den nya studien, Mitzi slår sig ihop med kollegan Adrienne Stiff-Roberts, docent i el- och datateknik vid Duke, att visa just ett sådant tillverkningssätt. Tekniken kallas Resonant Infrared Matrix-Assisted Pulsed Laser Evaporation, eller RIR-MAPLE för kort, och utvecklades av Stiff-Roberts på Duke under det senaste decenniet.
Anpassad från en teknologi som uppfanns 1999, kallad MAPLE, Tekniken går ut på att frysa en lösning som innehåller de molekylära byggstenarna för perovskiten, och sedan spränga det frysta blocket med en laser i en vakuumkammare.
När en laser förångar en liten bit av det frusna målet ungefär lika stort som en fördjupning på en golfboll, ångan färdas uppåt i en plym som täcker bottenytan på alla föremål som hänger över huvudet, som en komponent i en solcell. När tillräckligt mycket av materialet byggs upp, processen stoppas och produkten upphettas för att kristallisera molekylerna och sätta den tunna filmen på plats.
I Stiff-Roberts version av tekniken, laserns frekvens är specifikt inställd på molekylbindningarna i det frysta lösningsmedlet. Detta gör att lösningsmedlet absorberar det mesta av energin, lämnar de ömtåliga organiska ämnen oskadda när de reser till produktytan.
Se insidan av RIR-MAPLE-kammaren efter att tunnfilmsavsättningsprocessen är över. Ingen av den ursprungliga frysta lösningen finns kvar i mitten, eftersom allt har förångats för att täcka botten av målet som hänger ovanför. Upphovsman:E. Tomas Barraza
"RIR-MAPLE-teknologin är extremt skonsam mot materialets organiska komponenter, mycket mer än andra laserbaserade tekniker, "sa Stiff-Roberts." Det gör det också mycket mer effektivt, kräver bara en liten del av det organiska materialet för att nå samma slutprodukt."
Även om inga perovskitbaserade solceller ännu finns tillgängliga på marknaden, Det finns ett fåtal företag som arbetar med att kommersialisera metylammonium -blyjodid och andra närbesläktade material. Och medan materialen som tillverkas i denna studie har solcellseffektivitet bättre än de som gjorts med annan laserbaserad teknik, de når ännu inte de som tillverkats med traditionella lösningsbaserade processer.
Men Mitzi och Stiff-Roberts säger att det inte är deras mål.
"Medan lösningsbaserade tekniker också kan vara skonsamma mot organiska ämnen och kan göra några fantastiska hybridfotovoltaiska material, de kan inte användas för mer komplexa och dåligt lösliga organiska molekyler, sa Stiff-Roberts.
"Med denna demonstration av RIR-MAPLE-tekniken, vi hoppas kunna öppna en helt ny värld av material för solcellsindustrin, " fortsatte Mitzi. "Vi tror också att dessa material kan vara användbara för andra applikationer, såsom ljusdioder, fotodetektorer och röntgendetektorer."
