Perovskiter-en bred kategori av föreningar som har en viss kristallstruktur-har väckt stor uppmärksamhet som potentiella nya solcellsmaterial på grund av deras låga kostnad, flexibilitet, och relativt enkel tillverkningsprocess. Men mycket är fortfarande okänt om detaljerna i deras struktur och effekterna av att ersätta olika metaller eller andra element i materialet.

Konventionella solceller av kisel måste bearbetas vid temperaturer över 1, 400 grader Celsius, använder dyr utrustning som begränsar deras potential för produktionsskalning. I kontrast, perovskiter kan bearbetas i en flytande lösning vid temperaturer så låga som 100 grader, använder billig utrustning. Vad mer, perovskiter kan deponeras på en mängd olika underlag, inklusive flexibel plast, möjliggör en mängd nya användningsområden som skulle vara omöjliga med tjockare, styvare kiselskivor.

Nu, forskare har kunnat dechiffrera en nyckelaspekt av perovskites beteende gjorda med olika formuleringar:Med vissa tillsatser finns det en slags "sweet spot" där större mängder kommer att förbättra prestanda och utöver vilka ytterligare mängder börjar försämra det. Resultaten beskrivs i veckan i tidningen Vetenskap , i ett papper av tidigare MIT postdoc Juan-Pablo Correa-Baena, MIT -professorerna Tonio Buonassisi och Moungi Bawendi, och 18 andra på MIT, University of California i San Diego, och andra institutioner.

Perovskiter är en familj av föreningar som har en tredelad kristallstruktur. Varje del kan vara gjord av vilken som helst av ett antal olika element eller föreningar - vilket leder till ett mycket brett spektrum av möjliga formuleringar. Buonassisi jämför att designa en ny perovskit med att beställa från en meny, välja en (eller flera) från var och en av kolumn A, kolumn B, och (enligt konvention) kolumn X. "Du kan mixa och matcha, " han säger, men fram till nu kunde alla variationer bara studeras genom försök och fel, eftersom forskare inte hade någon grundläggande förståelse för vad som hände i materialet.

I tidigare forskning av ett team från schweiziska École Polytechnique Fédérale de Lausanne, där Correa-Baena deltog, hade funnit att tillsats av vissa alkalimetaller till perovskitblandningen kan förbättra materialets effektivitet vid omvandling av solenergi till elektricitet, från cirka 19 procent till cirka 22 procent. Men vid den tiden fanns det ingen förklaring till denna förbättring, och ingen förståelse för exakt vad dessa metaller gjorde inuti föreningen. "Mycket lite var känt om hur mikrostrukturen påverkar prestandan, "Säger Buonassisi.

Nu, detaljerad kartläggning med hjälp av högupplösta synkrotron nano-röntgenfluorescensmätningar, som kan sondera materialet med en stråle bara en tusendels bredden av ett hår, har avslöjat detaljerna i processen, med potentiella ledtrådar för hur materialets prestanda kan förbättras ytterligare.

Det visar sig att tillsats av dessa alkalimetaller, såsom cesium eller rubidium, till perovskitföreningen hjälper några av de andra beståndsdelarna att blanda ihop smidigare. Som teamet beskriver det, dessa tillsatser hjälper till att "homogenisera" blandningen, gör det lättare att leda elektricitet och därmed förbättra dess effektivitet som solcell. Men, de hittade, som bara fungerar upp till en viss punkt. Utöver en viss koncentration, dessa tillsatta metaller klumpar ihop sig, bildande regioner som stör materialets konduktivitet och delvis motverkar den initiala fördelen. Mellan, för en given formulering av dessa komplexa föreningar, är den söta platsen som ger bästa prestanda, de hittade.

"Det är ett stort fynd, "säger Correa-Baena, som i januari blev biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid Georgia Tech. Vad forskarna fann, efter cirka tre års arbete på MIT och med medarbetare på UCSD, var "vad händer när du lägger till dessa alkalimetaller, och varför prestandan förbättras. "De kunde direkt observera förändringarna i materialets sammansättning, och avslöjar, bland annat, dessa motverkande effekter av homogenisering och klumpning.

"Tanken är att baserat på dessa fynd, vi vet nu att vi borde undersöka liknande system, när det gäller tillsats av alkalimetaller eller andra metaller, "eller varierande andra delar av receptet, Säger Correa-Baena. Medan perovskiter kan ha stora fördelar jämfört med konventionella kiselsolceller, särskilt när det gäller den låga kostnaden för att bygga fabriker för att producera dem, de kräver fortfarande ytterligare arbete för att öka deras totala effektivitet och förbättra deras livslängd, som ligger betydligt efter det för kiselceller.

Även om forskarna har förtydligat de strukturella förändringar som sker i perovskitmaterialet när man lägger till olika metaller, och de resulterande förändringarna i prestanda, "Vi förstår fortfarande inte kemin bakom detta, "Säger Correa-Baena. Det är föremål för pågående forskning från teamet. Den teoretiska maximala effektiviteten för dessa perovskitsolceller är cirka 31 procent, enligt Correa-Baena, och den bästa prestationen hittills är cirka 23 procent, så det finns fortfarande en betydande marginal för potentiell förbättring.

Även om det kan ta år innan perovskiter förverkligar sin fulla potential, minst två företag håller redan på att bygga upp produktionslinjer, och de räknar med att börja sälja sina första moduler inom det närmaste året eller så. Några av dessa är små, transparenta och färgglada solceller utformade för att integreras i en byggnads fasad. "Det händer redan, "Correa-Baena säger, "men det finns fortfarande arbete att göra för att göra dessa mer hållbara."

En gång frågor om storskalig tillverkbarhet, effektivitet, och hållbarhet tas upp, Buonassisi säger, perovskiter kan bli en stor aktör inom förnybar energi. "Om de lyckas göra hållbara, högeffektiva moduler samtidigt som tillverkningskostnaderna bibehålls, det kan förändra spelet, "säger han." Det kan möjliggöra expansion av solenergi mycket snabbare än vi har sett. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.