Ljus gör vissa material ledande på ett tidigare oförutsett sätt. I kiselsolceller, elektroner flödar när solen skiner. Dock, forskare vid Stuttgart-baserade Max Planck Institute for Solid State Research har nu kommit med en överraskning:i en speciell perovskite, annat material som används för solceller, ljus släpper inte bara ut elektroner, men också elektriskt laddade atomer, kända som joner. Dessutom, denna nya fotoeffekt är extremt stor. Jonledningsförmågan ökade med en faktor hundra. För solceller tillverkade av det material som undersöks här, den höga ljusinducerade jonkonduktiviteten är ganska skadlig; konsekvenserna, dock, kan nu specifikt motverkas. Ur forskarnas synvinkel i Stuttgart, effekten är banbrytande i sig, när det blir roman, ljusstyrda elektrokemiska tillämpningar tänkbara, till exempel batterier som laddas direkt av ljus.

När det kommer till effektivitet, kiselsolceller sätter standarder. Men speciellt för solcellselement med särskilt hög verkningsgrad, kiselproduktion är både komplex och dyr. Material som kallas perovskiter, på grund av deras struktur, skulle kunna erbjuda ett billigare alternativ här. Ett team av forskare ledda av Joachim Maier, Direktör vid Max Planck Institute for Solid State Research, har nu undersökt hur ljus påverkar transporten av elektricitet i dessa material baserat på perovskiten metylammonium blyjodid (MAPI). Deras intresse för dessa material väcktes under ett samarbete med Michael Grätzel, som bedriver forskning vid École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) och är en extern vetenskaplig medlem av Stuttgart-baserade Max Planck Institute.

I sina experiment, forskarna observerade nu att joner, det är laddade atomer, bidra till ledningsförmågan i oväntat hög grad när materialet är belyst. I perovskitsolceller, effekten kan leda till strukturella förändringar och försämra effektiviteten. "Dock, våra resultat kan hjälpa till att förhindra sådana åldrandeprocesser, " säger Joachim Maier. För kemisten, dock, fenomenet som sådant är mest spännande främst för att det skapar den grundläggande möjligheten att frigöra mobila joner med hjälp av ljus, nämligen de laddningsbärare som transporterar elektricitet i elektrokemiska tillämpningar som batterier, bränsleceller eller elektrokemiska sensorer och omkopplare.

Att ljus påverkar jontransport har bara tidigare visats inom biologin:Belysning kan indirekt förändra ett cellmembrans permeabilitet. "Väldigt överraskande, dock, är det faktum att jonledningen av kristallina fasta ämnen kan modifieras direkt och i vilken utsträckning detta är möjligt, " säger Joachim Maier. Hans team observerade hur antalet fria jodidjoner ökades med en faktor hundra. Jonledning ökas alltså i liknande utsträckning som den som är känd för ljusinducerad elektronisk konduktivitet.

Forskarna i Stuttgart demonstrerade inte bara fenomenet experimentellt. De kan också förklara det. Enligt dem, ljuset släpper till en början elektroner, som är vanligt i solceller. De negativt laddade elektronerna lämnar positivt laddade hål i kristallgittret, som fysiker skulle säga. Dessa neutraliserar annars negativt laddade jodidjoner i kristallen. Eftersom en oladdad jodatom är mycket mindre än en jodidjon, den upptar ett så kallat interstitiellt utrymme, det är, ett fritt utrymme i kristallgittret där den större jodidjonen inte passar. De resulterande luckorna i kristallgittret tillåter jonledning på ungefär samma sätt som elektronhål tillåter elektronledning. "Avgörande för denna effekt är att det finns en mekanism som översätter hålen som skapas av ljus direkt till jonledningsförmåga, säger Joachim Maier.

Forskarna använde olika metoder för att bevisa effekten bortom allt tvivel. I ett första experiment, de använde elektriska kontakter för MAPI som blockerade joner, det är, de lät bara elektronerna passera. De använde en specifik ström och mätte spänningen. Om joner är involverade i strömflödet, spänningen bör öka efter en kort tid, eftersom de bara kan röra sig i början, men blockeras sedan av kontakterna. Det var precis vad forskarna i Stuttgart observerade.

Tydliga bevis på jonledning gavs också av spänningen som mättes i en öppen krets, som genererades av forskarna som använde perovskiten som elektrolytfas i en upplyst battericell:om elektroner i materialet främst transporterade ström, en kortslutning skulle uppstå, och ingen spänning skulle produceras. Dock, använda ett jonledande material som elektrolyt, den förväntade batterispänningen kan mätas.

Forskarna visade direkt transport av jod i ytterligare två experiment. De exponerade ena sidan av perovskiten för gasformigt jod. De fäste en kopparfilm på andra sidan, som fungerar som en så kallad jodsänka på grund av sin benägenhet att reagera för att bilda kopparjodid. Under belysning, denna process skedde i mycket hög hastighet. Transport av jodet inuti perovskitprovet visades också genom ett experiment där toluen fungerade som en yttre sänka för elementet. Forskarna visade spektroskopiskt att jodkoncentrationen i toluenen ökade så fort perovskiten var upplyst.

Mekanismen som observerats av forskarna i Stuttgart är reversibel, understryker Maier. Det förstör inte materialet. Endast när perovskitmaterialet är i kontakt med ett ämne som binder jod permanent, eller när jod kommer ut i atmosfären, bryts materialet ned med tiden.

Inom en snar framtid, forskarna har inte för avsikt att nöja sig med att bara förstå nedbrytningsmekanismerna och i slutändan förhindra dem. Vad är viktigare, enligt Joachim Maier, är att undersöka själva effekten, eftersom det representerar en nyhet inom solid-state forskning. "Vi kommer att undersöka andra material för att se om liknande fenomen inträffar, " säger Joachim Maier. Forskarna fokuserar också på frågan om hur denna effekt kan utnyttjas tekniskt. För att göra detta, de kommer först att utveckla idéer, till exempel att använda ljusstimulerad lagring, och leta sedan efter lämpliga material för sådana applikationer. "Jonkonduktivitet representerar ett nyckelfenomen i ett energiforskningssammanhang, ", säger Joachim Maier. "Men i många avseenden – särskilt när det gäller exponering för ljus – förblir det terra incognita.” Max Planck-forskarna i Stuttgart avser att ändra på detta.