Forskare har fått nya insikter i ett fundamentalt mysterium om hybridperovskiter, lågkostnadsmaterial som kan förbättra eller till och med ersätta konventionella solceller gjorda av kisel.

Under ett mikroskop, en skiva perovskit ser ut som en abstrakt mosaik av slumpmässiga kristallkorn. Mysteriet är hur detta lapptäcke av små, ofullkomliga korn kan omvandla solljus till elektricitet lika effektivt som en enda kristall av rent kisel.

En nyligen genomförd studie av forskare vid Stanford University och Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory ger nya ledtrådar. Skriver i 15 mars numret av Avancerade material , forskarna ger en ny förståelse för hur elektriska laddningar separeras i perovskiter några miljarddelar av en sekund efter absorptionen av ljus, det avgörande första steget för att generera en elektrisk ström.

Studien är den första som undersöker det inre arbetet hos hybridperovskiter i atomär skala med hjälp av laserpulser som matchar intensiteten av solstrålning, och därmed efterlikna naturligt solljus. Författarna säger att deras upptäckt kan leda till förbättringar av perovskitsolcellers prestanda och ett nytt sätt att undersöka deras funktionalitet.

Perovskites och kisel

De flesta solceller idag är gjorda av renat kisel tillverkat vid temperaturer över 3, 000 grader Fahrenheit (1, 600 grader Celsius). Dessa styva silikonpaneler kan hålla i årtionden i alla slags väderförhållanden.

Perovskite solceller, även om det är mycket mindre hållbart, är tunnare och mer flexibla än kiselceller och kan tillverkas nära rumstemperatur från en hybridblandning av billiga organiska och oorganiska material, som jod, bly och metylammonium.

Forskare, inklusive Stanfords medförfattare Michael McGehee, har visat att perovskitsolceller är lika effektiva på att omvandla ljus till elektricitet som kommersiellt tillgängliga kiselceller och till och med kan överträffa dem. Denna kombination av effektivitet, flexibilitet och enkel syntes har underblåst ett världsomspännande kapplöpning för att utveckla kommersiella perovskiter som tål långvarig exponering för värme och nederbörd.

"Perovskites är mycket lovande material för solceller, " sa huvudförfattaren Burak Guzelturk, en postdoktor vid Stanford och SLAC. "Men folk undrar hur de kan uppnå så hög effektivitet."

Elektroner och hål

Alla solceller fungerar på samma princip. Fotoner av solljus som absorberas av det kristallina materialet sparkar negativt laddade elektroner till ett exciterat tillstånd. De frigjorda elektronerna lämnar efter sig positivt laddade utrymmen eller "hål" som separeras från varandra. Denna separation ger upphov till en elektrisk ström.

Rent kisel, med sin högordnade atomstruktur, ger en direkt väg för elektroner och hål att färdas genom solcellen. Men med perovskiter, vägen är långt ifrån jämn.

"Perovskites är vanligtvis fyllda med defekter, " sa medförfattaren Aaron Lindenberg, en docent vid SLAC och Stanford och utredare vid Stanford Institute of Materials and Energy Sciences (SIMES). "De är inte ens i närheten av att vara perfekta kristaller, men på något sätt ser de elektriska strömmarna inte defekterna."

Terahertz Emission

För studien, forskargruppen använde laserpulser för att simulera vågor av solljus från båda ändarna av det synliga ljusspektrumet – högenergi-violett ljus och lågenergi-infrarött ljus. Resultaten mättes på picosekunders tidsskalan. En pikosekund är en biljondels sekund.

"Under de första pikosekunderna efter att solljuset träffar perovskiten, elektronerna och hålen i det kristallina gittret börjar delas, " Lindenberg förklarade. "Separationen avslöjades genom att mäta emissionen av högfrekventa terahertz-ljuspulser som oscillerar en biljon gånger per sekund från den tunna perovskitfilmen. Detta är första gången någon har observerat terahertz-utsläpp från hybridperovskiter."

Terahertz-emissionen avslöjade också att elektroner och hål samverkar nära med gittervibrationer i det kristallina materialet. Denna interaktion, som inträffar på en femtosekunds tidsskala, kan hjälpa till att förklara hur elektriska strömmar navigerar genom lapptäcket av kristallkorn i hybridperovskiter.

"När de elektriska laddningarna separeras, vi observerar en kraftig topp i terahertz-emissionen, matcha ett vibrationsläge av materialet, ", sa Guzelturk. "Det ger oss tydliga bevis för att elektronerna och hålen är starkt kopplade till atomvibrationerna i materialet."

Detta fynd ger upphov till möjligheten att koppling till gittervibrationen skulle kunna skydda elektronerna och hålen från laddade defekter i perovskiten, skärmar av den elektriska strömmen när den färdas genom solcellen. Liknande scenarier har föreslagits av andra forskarlag.

"Detta är en av de första observationerna av hur den lokala atomstrukturen hos ett hybridperovskitmaterial reagerar på de första biljondels sekunden efter att ha absorberat solljus, " sa Lindenberg. "Vår teknik kan öppna upp ett nytt sätt att sondera en solcell direkt när fotonen absorberas, vilket är väldigt viktigt om du vill förstå och bygga bättre material. Det konventionella sättet är att sätta elektroder på enheten och mäta strömmen, men det suddar i princip alla mikroskopiska processer som är nyckeln. Vår helt optiska, ett elektrodlöst tillvägagångssätt med femtosekundtidsupplösning undviker det problemet."

Heta elektroner

Forskarna fann också att terahertz-ljusfält är mycket starkare när perovskit träffas av ljusvågor med hög energi.

"Vi fann att utstrålat terahertzljus är storleksordningar mer intensivt när du exciterar elektronerna med violett ljus jämfört med lågenergiinfrarött ljus, " sa Lindenberg. "Det var ett oväntat resultat."

Denna upptäckt kan ge nya insikter om "heta" högenergielektroner, sa Guzelturk.

"Violett ljus ger elektroner överskott av kinetisk energi, skapa heta elektroner som rör sig mycket snabbare än andra elektroner, " sade han. "Men, dessa heta elektroner förlorar sin överskottsenergi mycket snabbt."

Att utnyttja energin från heta elektroner kan leda till en ny generation av högeffektiva solceller, tillade Lindenberg.

"En av de stora utmaningarna är att hitta ett sätt att fånga överskottsenergin från en het elektron innan den slappnar av, ", sa han. "Tanken är att om du kunde extrahera strömmen som är förknippad med heta elektroner innan energin försvinner, du skulle kunna öka effektiviteten i solcellen. Folk har hävdat att det är möjligt att skapa heta elektroner i perovskiter som lever mycket längre än de gör i kisel. Det är en del av spänningen kring perovskites."

Studien visade att i hybridperovskiter, heta elektroner separeras från hål snabbare och mer effektivt än elektroner som exciteras av infrarött ljus.

"För första gången kan vi mäta hur snabbt denna separation sker, Lindenberg sa. "Detta kommer att ge viktig ny information om hur man designar solceller som använder heta elektroner."

Toxicitet och stabilitet

Möjligheten att mäta terahertz-utsläpp kan också leda till ny forskning om giftfria alternativ till konventionella blybaserade perovskiter, sa Guzelturk.

"De flesta av de alternativa materialen som övervägs är inte lika effektiva för att generera elektricitet som bly, ", sa han. "Våra resultat kan göra det möjligt för oss att förstå varför blysammansättningen fungerar så bra medan andra material inte gör det, och att undersöka nedbrytningen av dessa enheter genom att titta direkt på atomstrukturen och hur den förändras."