Vissa material är som människor. Låt dem koppla av i solen en liten stund och de presterar mycket bättre.

Ett samarbete som leds av Rice University och Los Alamos National Laboratory fann att så är fallet med en perovskitförening som är ett effektivt material för att samla solljus och omvandla det till energi.

Forskarna under ledning av Aditya Mohite, en personalvetare vid Los Alamos som snart blir professor på Rice; Wanyi Nie, även personalvetare vid Los Alamos, och huvudförfattaren och Rice -doktoranden Hsinhan (Dave) Tsai upptäckte att konstant belysning avslappnar belastningen i perovskites kristallgitter, så att den kan expandera enhetligt i alla riktningar.

Expansion anpassar materialets kristallplan och botar defekter i bulk. Det minskar i sin tur energiska hinder vid kontakterna, vilket gör det lättare för elektroner att röra sig genom systemet och leverera energi till enheter.

Detta förbättrar inte bara solcellens effektomvandlingseffektivitet, men äventyrar inte heller dess fotostabilitet, med försumbar nedbrytning över mer än 1, 500 timmars drift under kontinuerlig belysning med en sol på 100 milliwatt per kubikcentimeter.

Forskningen, som visas den här veckan i Vetenskap , representerar ett betydande steg mot stabila perovskitbaserade solceller för nästa generations sol-till-elektricitet och sol-till-bränsle-teknik, enligt forskarna.

"Hybridperovskitkristallstrukturer har en allmän formel för AMX3, där A är en katjon, M är en tvåvärd metall och X är en halogenid, "Sa Mohite." Det är en polär halvledare med ett direkt bandgap som liknar galliumarsenid.

"Detta ger perovskiter en absorptionskoefficient som är nästan en storleksordning större än galliumarsenid (en vanlig halvledare i solceller) över hela solspektrumet, "sa han." Detta innebär att en 300-nanometer tjock film av perovskiter är tillräcklig för att absorbera allt infallande solljus. Däremot, kisel är ett indirekt bandgapmaterial som kräver 1, 000 gånger mer material för att absorbera samma mängd solljus. "

Mohite sa att forskare länge har sökt efter effektiva hybridperovskiter som är stabila i solljus och under omgivande miljöförhållanden.

"Genom detta arbete, vi visade betydande framsteg när det gäller att uppnå båda dessa mål, "sa han." Vår trekatjonbaserade perovskit i ett kubikgitter visar utmärkt temperaturstabilitet vid mer än 100 grader Celsius (212 grader Fahrenheit). "

Forskarna modellerade och gjorde mer än 30 halvledande, jodidbaserade tunna filmer med perovskitliknande strukturer:Kristallina kuber med atomer arrangerade i vanliga rader och kolumner. De mätte deras förmåga att överföra ström och fann att när de blötläggs med ljus, den energiska barriären mellan perovskiten och elektroderna försvann i stort när bindningarna mellan atomer slappnade av.

De blev förvånade över att se att barriären förblev släckt i 30 minuter efter att ljuset var släckt. Eftersom filmerna hölls vid en konstant temperatur under experimenten, forskarna kunde också eliminera värme som en möjlig orsak till gitterets expansion.

Mätningar visade att "mästaren" hybrid perovskite -enheten ökade sin effektomvandlingseffektivitet från 18,5 procent till 20,5 procent. I genomsnitt, alla celler hade en ökad effektivitet över 19 procent. Mohite sa att perovskiter som användes i studien var 7 procent från den maximala möjliga effektiviteten för en solcell med en korsning.

Han sa att cellernas effektivitet var nästan dubbelt så stor som alla andra lösningsbehandlade solcellstekniker och 5 procent lägre än för kommersiella kiselbaserade solceller. De behöll 85 procent av sin maximala effektivitet efter 800 timmars kontinuerlig drift vid maximal effektpunkt, och deras strömtäthet visade ingen fotoinducerad nedbrytning över hela 1, 500 timmar.

"Detta arbete kommer att påskynda den vetenskapliga förståelse som krävs för att uppnå perovskit solceller som är stabila, "Sa Mohite." Det öppnar också nya riktningar för att upptäcka faser och framväxande beteenden som härrör från den dynamiska strukturella naturen, eller mjukhet, av perovskitgitteret. "

De ledande forskarna indikerade att studien går utöver fotovoltaik när den ansluter, för första gången, ljusutlöst strukturell dynamik med grundläggande elektroniska transportprocesser. De räknar med att det kommer att leda till teknik som utnyttjar ljus, kraft eller andra externa utlösare för att skräddarsy egenskaperna hos perovskitbaserade material.