Ny insikt i hur en viss klass av solcellsmaterial möjliggör effektiv omvandling av solljus till elektricitet skulle kunna ställa in dessa material för att ersätta traditionella kiselsolceller. En studie av forskare vid Penn State avslöjar de unika egenskaperna hos dessa billiga och snabbtillverkade halidperovskiter, information som kommer att styra utvecklingen av nästa generations solceller. Studien visas den 27 september i tidskriften Chem .

"Sedan utvecklingen av kiselsolceller, som idag finns på hustak och vägkanter, forskare har sökt nya typer av solcellsmaterial som är lättare att bearbeta till solceller, sade John Asbury, docent i kemi vid Penn State och senior författare till studien. "Detta beror på att konstruktionen av kiselsolceller är komplex och svår att skala upp till den nivå som skulle behövas för att de ska generera ens 10 procent av vår totala efterfrågan på el."

På grund av dessa komplikationer, forskare har letat efter billigare alternativ till kiselsolceller som kan bearbetas snabbare. De är särskilt intresserade av material som kan bearbetas med en teknik som kallas roll-to-roll-tillverkning, en teknik som liknar den som används för att trycka tidningar som möjliggör låg kostnad, högvolymproduktion. Sådant material måste bearbetas från lösning, som bläck tryckt på en sida.

"Efter fyrtio år av intensiv forskning för sådana material, ingenting har kommit i närheten av kisel - förutom en spännande klass av material som kallas halogenidperovskiter, ", sa Asbury. "Halideperovskiter verkar ha en unik tolerans för brister i sina strukturer som tillåter dem att effektivt omvandla solljus till elektricitet när andra material med liknande brister inte gör det."

Vad gör halidperovskiter så toleranta mot brister, dock, var okänd före denna studie. Forskarna använde ultrasnabb infraröd avbildningsteknik för att undersöka hur strukturen och sammansättningen av dessa material påverkar deras förmåga att omvandla solljus till elektricitet.

Forskarna fastställde att halidperovskiter har en unik förmåga att bibehålla sin kristallina struktur även medan atomerna i deras kristaller genomgår ovanligt storskalig vibrationsrörelse. Alla material upplever vibrationsrörelse av sina atomer, vilket vanligtvis undertrycks genom att göra materialens kristaller mycket hårda – som kisel – så att deras atomer hålls stadigt på plats. Men, enligt den aktuella studien, halogenidperovskiter är mycket mjuka, vilket gör att deras atomer kan röra sig och bidrar till deras anmärkningsvärda effektivitet.

"Det som är intressant är att sådana storskaliga atomrörelser vanligtvis leder till en förlust av kristallin struktur i andra material, skapar ofullkomligheter som dränerar exciterad tillståndsenergi, sade Asbury. "Men med halidperovskiter, forskare kan kemiskt ersätta elektroniskt laddade atomer i materialet för att justera amplituderna för sådana rörelser i atomskala. Detta kommer att tillåta oss att förbättra prestandan och stabiliteten hos halogenidperovskitmaterial.

"För närvarande, halogenidperovskiter innehåller ofta giftiga ämnen som bly och är ännu inte så stabila som de behöver vara för att ersätta kiselsolceller, ", sa Asbury. "Insikterna från denna studie kommer att göra det möjligt för oss att skapa regler för att designa nya halidperovskiter med användning av roll-to-roll-bearbetning. Detta kommer att styra utvecklingen av nästa generations perovskitmaterial som är mer stabila och som innehåller mindre giftiga ämnen som tenn istället för bly."