Ett schema för den experimentella uppställningen som används för att undersöka den strukturella bildningen av perovskiter tunna filmer under spinnbeläggning. Kredit:G. Portale, Universitetet i Groningen
Blybaserade perovskiter är mycket lovande material för produktion av solpaneler. De förvandlar effektivt ljus till elektricitet men de har också några stora nackdelar:de mest effektiva materialen är inte särskilt stabila, medan bly är ett giftigt element. Universitetet i Groningen forskare studerar alternativ till blybaserade perovskiter. Två faktorer som väsentligt påverkar effektiviteten hos dessa solceller är förmågan att bilda tunna filmer och strukturen på materialen i solcellerna. Därför, det är mycket viktigt att på plats undersöka hur blyfria perovskitkristaller bildas och hur kristallstrukturen påverkar solcellernas funktion. Resultaten av studien publicerades i tidskriften Avancerade funktionella material den 31 mars.
Solceller som är baserade på hybridperovskiter introducerades först 2009 och blev snabbt nästan lika effektiva som vanliga kiselsolceller. Dessa material har en mycket distinkt kristallstruktur, känd som perovskitstrukturen. I en idealiserad kubikenhetscell, anjoner bildar en oktaeder runt en central katjon, medan hörnen på kuben är upptagna av andra, större katjoner. Olika joner kan användas för att skapa olika perovskiter.
Spinnbeläggning
De bästa resultaten i solceller har erhållits med perovskiter med bly som central katjon. Eftersom denna metall är giftig, tennbaserade alternativ har utvecklats, till exempel, formamidiniumtennjodid (FASnI 3 ). Detta är ett lovande material; dock, det saknar stabiliteten hos några av de blybaserade materialen. Försök har gjorts att blanda 3D FASnI 3 kristaller med skiktade material, innehållande den organiska katjonen fenyletylammonium (PEA). "Min kollega, Professor Maria Loi, och hennes forskargrupp visade att tillsats av en liten mängd av denna PEA ger ett mer stabilt och effektivt material, " säger biträdande professor Giuseppe Portale. "Men, att lägga till mycket av det minskar solcellseffektiviteten."
Det är där Portale kommer in. Perovskites har studerats under lång tid av professorn i fotofysik och optoelektronik Maria Loi, medan Portale utvecklade en röntgendiffraktionsteknik som gör att han kan studera den snabba bildningen av tunna filmer i realtid under spin-coating från lösning. I laboratorieskala, perovskitfilmerna är vanligtvis gjorda genom spinnbeläggning, en process där en prekursorlösning levereras på ett snabbt snurrande substrat. Kristaller växer när lösningsmedlet avdunstar. Vid strållinjen BM26B-DUBBLE vid European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Grenoble, Frankrike, Portale undersökte vad som händer under bildningen av tenn-perovskitfilm.
Schemat för mekanismen för kristallisation från DMF/DMSO-lösning under torkning för 2D/3D perovskitfilmerna. Kredit:G. Portale, Universitetet i Groningen
Gränssnitt
"Vår första idé, som baserades på ex situ-undersökningar, var att de orienterade kristallerna växer från substratytan uppåt, " förklarar Portale. Men, in situ-resultaten visade motsatsen:kristaller börjar växa vid luft/lösning-gränssnittet. Under sina experiment, han använde 3-D FASnI 3 med tillsats av olika mängder av 2-D PEASnI 4 . I den rena 3-D perovskiten, kristaller började bildas vid ytan men också i huvuddelen av lösningen. Dock, tillsats av en liten mängd av 2-D-materialet undertryckte bulkkristallisation och kristallerna växte bara från gränssnittet.
"PEA-molekyler spelar en aktiv roll i prekursorlösningen av perovskiterna, stabilisera tillväxten av orienterade 3D-liknande kristaller genom koordination vid kristallens kanter. Dessutom, PEA-molekyler förhindrar kärnbildning i bulkfasen, så kristalltillväxt sker bara vid gränssnittet luft/lösningsmedel, " Portale förklarar. De resulterande filmerna är sammansatta av inriktade 3-D-liknande perovskitkristaller och en minimal mängd 2-D-liknande perovskit, finns längst ner i filmen. Tillsatsen av låga koncentrationer av 2D-materialet ger ett stabilt och effektivt fotovoltaiskt material, medan effektiviteten sjunker dramatiskt vid höga koncentrationer av detta 2D-material.
Isolator
Experimenten av Portale och Loi kan förklara denna observation:"Den 2-D-liknande perovskiten är belägen vid gränssnittet mellan substrat och film. Ökning av innehållet i 2-D-materialet till över en viss mängd orsakar bildandet av en utökad 2-D D-liknande organiskt lager som fungerar som en isolator, med skadlig effekt för enhetens effektivitet." Slutsatsen av studien är att bildningen av detta isolerande skikt måste förhindras för att uppnå en högeffektiv och stabil tennbaserad perovskit. "Nästa steg är att inse detta, till exempel genom att leka med lösningsmedel, temperatur eller specifika perovskit/substrat-interaktioner som kan bryta upp bildandet av detta tjocka isolerande skikt."
