Uppkallad efter ett mineral som upptäcktes i Uralbergen i Ryssland, perovskites har tagit centrala scenen som en klass av material med egenskaper som skulle kunna tillämpas på framtida elektronik och energienheter.

Halvledande filmer gjorda av perovskiter lovar flexibel, lätta solceller som är billiga och enkelt tillverkade av rikliga material. Även om de ännu inte är tillgängliga kommersiellt – hinder inkluderar att göra dem mer stabila och hållbara – kan de förändra solenergiindustrin under det kommande decenniet eller två.

För vetenskapsmän, perovskites presenterar också ett intressant pussel:Börja med valfritt antal varianter av de grundläggande ingredienserna för att göra dem – bly, jodid och metylammonium – och du får samma grundmaterial. Än, justeringar av kemin i olika skeden av processen kan leda till perovskiter med mer önskvärda egenskaper för solceller.

För forskare vid Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) och Stanford University, perovskiternas mysterium och potential sammanstrålar i experiment där extremt ljusa röntgenstrålar används för att studera materialets kemi i just de ögonblick det bildas. DOE Office of Sciences användaranläggning vid SLAC National Accelerator Laboratory erbjuder flera sätt att närma sig problemet och upptäcka nya insikter om detta användbara material.

Vi frågade SSRL-personalforskarna Christopher Tassone och Kevin Stone, Stanford Chemistry Ph.D. student Aryeh Gold-Parker och Michael Toney, chef för SSRL materialvetenskapsavdelningen, vad de nyligen fick reda på om perovskitkemi och vart de hoppas att deras arbete ska leda.

Deras forskning publicerades idag i Naturkommunikation .

Hur tillverkas perovskiter, och vad intresserar dig med denna process?

Sten:Du börjar med att lösa upp några basingredienser i ett lösningsmedel. Sedan lägger du den lösningen och torkar den till en film. Filmen omvandlas sedan till den slutliga perovskiten genom en behandling såsom glödgning, vilket går ut på att värma upp den till en viss temperatur och sedan kyla den igen. Vi är intresserade av kemin i hela processen och hur den utvecklas i varje steg. Tanken är att om du kan förstå vad vi kallar "bildningskemin" för perovskiter, du kan skapa materialen för att ha exakt de egenskaper du önskar.

Gold-Parker:Det finns dussintals olika metoder för att deponera perovskitfilmer, till exempel. Och dessa metoder leder till skillnader i tjocklek, textur, filmernas kornstorlek och kristallinitet. I labbet, att skapa perovskiter med distinkta egenskaper görs mestadels genom försök och misstag. Ingenjörer gör små ändringar i processen för att optimera den speciella egenskapen de är intresserade av, oavsett om det är solcellsspänning eller prestanda. Trial and error kan fungera, men det är inte effektivt.

Tassone:Min grupp är verkligen intresserad av hur vi tillverkar stora mängder solpaneler mycket billigt för att möta växande krav på solenergi och mål för ren energi. Konventionella kiselsolceller kan inte tillverkas tillräckligt snabbt. Vi tror att om vi kan förstå de kemiska omvandlingarna som sker under processen att tillverka perovskitsolceller, vi kan i slutändan konstruera bättre processer som möter industrins behov.

Vad handlade din senaste studie om?

Gold-Parker:Vår studie bygger på arbete av andra grupper av forskare vid Oxford, Cornell och Stanford som visade att man använder klor i bearbetningen kan leda till högkvalitativa perovskitfilmer med imponerande prestanda. Efter att lösningen avsatts finns det ett mellansteg där en kristallin film bildas – vi kallar detta en prekursor – och sedan lämnar ett gasformigt salt av klor som kallas metylammoniumklorid (MACI) filmen kontinuerligt medan den omvandlas till en perovskit. Några år sedan, en SSRL-studie av mig själv, Toney och kollegor visade att det finns väldigt lite klor kvar i slutprodukten. Även om du börjar med ganska mycket klor, den stora majoriteten av det går förlorat i bearbetningen.

Stone:I den här senaste studien ville vi veta:Vart tar klor vägen och vilket syfte har det? Varför klor i första hand? Vad består prekursorn av, och hur påverkar det denna omvandling?

Vad fick du reda på?

Stone:Vi kunde ta reda på vad strukturen för den kristallina prekursorn är, hur atomerna sätts ihop, och ungefär hur mycket klor som finns. När vi värmer upp det under glödgningsstadiet, vi ser att kristallin prekursor kvarstår ett bra tag innan den börjar omvandlas till perovskit.

Gold-Parker:Vi kunde också visa att omvandlingen till den slutliga perovskiten begränsas av den gradvisa förångningen av MACl, och att denna långsamma omvandling faktiskt kan leda till ett perovskitmaterial av högre kvalitet.

Toney:Det finns också bredare konsekvenser. Teoriberäkningar kan med god noggrannhet berätta vilka egenskaper ditt material kommer att ha. Men de ger nästan ingen vägledning om hur man går tillväga för att syntetisera det. Denna fråga har drivit intresset för vetenskapssamhället under många decennier, men ännu mer under de senaste fem åren, i vad som har kallats syntesvetenskap:förstå hur du faktiskt gör något. Vilka processer går materialet igenom, vägarna? Den här studien är ett mycket bra exempel på att kunna reda ut den syntesprocessen, och som ett resultat få insikt i hur vi kan designa om det.

Hur studerade du det?

Tassone:Vi använde flera versioner av två tekniker som kallas röntgenspridning och röntgenspektroskopi. Röntgenspridning används för att studera struktur; den berättar var atomerna finns i kristallina material. Röntgenspektroskopi är en komplementär teknik. Den berättar om filmens kemi, hur mycket av de olika kemiska grundämnena som finns och hur de är bundna.

Gold-Parker:Dessa metoder gjorde det möjligt för oss att undersöka förändringar i kristallstrukturen och mängden klor under hela omvandlingen, samt klorets kemiska tillstånd. Och mycket viktigt, vi använde var och en av dessa tekniker på plats – eller när förändringarna faktiskt sker. SSRL har kapacitet i världsklass för att designa och utföra den här typen av in situ-experiment som övervakar den faktiska processen istället för bara start- och slutpunkterna, och det var verkligen mäktigt.

Tassone:Det som gör detta resultat och vårt tillvägagångssätt mycket starkt är att vi använder tolkningen av spridningsdata för att informera om tolkningen av spektroskopidata, och vice versa. Vi skulle inte ha löst den här mekanismen utan att flytta ihop dessa saker. I uppsatsen lägger vi ut en tydlig väg för alla som vill studera processerna som är involverade i att tillverka detta eller andra material. Detta är ett viktigt steg i forskningen om perovskiter men också inom det bredare fältet av syntesvetenskap som Mike beskrev.

Vad kommer härnäst?

Stone:Jag skulle vilja studera vad som händer i lösningen innan den torkar, alltså i ett tidigare skede i processen. Jag skulle också vilja utöka våra metoder till att omfatta andra perovskitmaterial.

Toney:En annan punkt att fortsätta är relaterad till rollen av klor som finns i filmen i det här specifika exemplet. Den fungerar som en medlare eller regulator, och det saktar ner omvandlingen. Hur fungerar det här allmänna begreppet medlare – en förening som tjänar ett syfte men som inte hamnar i ditt slutliga material – i denna process eller andra processer eller material? Kisel har studerats i minst 50 år, perovskites för fem, så vi har mycket arbete framför oss.

Tassone:Jag har två poäng för att gå vidare. En är hur vi utvecklar de processer som kommer att fungera i stor skala och låta solenergi vara överkomlig för alla och verkligen ha stor inverkan på vårt energilandskap? Den andra är, baserat på det faktum att perovskiter är den mest spännande halvledarutvecklingen under det senaste decenniet eller två, hur kan vi utnyttja de unika egenskaperna hos detta material även för andra applikationer?