Solceller som produceras av en kombination av kisel och perovskit - särskilt varianten med blandade halogenider som jod och brom - kan vara mer effektiva och billigare än traditionella kiselsolceller eftersom de omvandlar en större andel av solljuset till elektricitet. Dock, perovskiter bryts ned under påverkan av ljus, och så kan de ännu inte användas för kommersiella applikationer. Genom att ersätta katjonen (positivt laddad jon) i strukturen förbättras materialets stabilitet. Forskare från AMOLF har nu avslöjat att denna förbättring beror på komprimering av strukturen, jämförbart med att applicera betydande press på den. De har publicerat sina resultat i Cellrapporter Fysikalisk vetenskap .

Kemisk intuition

En perovskit består av en blyjon omgiven av halogenidjoner såsom jod och bromjoner. Detta bildar en 3D-struktur med burar som är fyllda med en katjon såsom metylammonium. Problemet är att om strukturen är belyst, separata områden uppstår i materialet där antingen huvudsakligen jodjoner eller främst bromjoner förekommer. Fördelen med jod-brom-blandningen i perovskiterna går sedan förlorad:en stor del av ljusspektrumet omvandlas till värme istället för elektricitet.

Eline Hutter, en kemist genom utbildning och fram till i år forskare vid AMOLF, trodde att den spontana separationen av halogeniderna kan förhindras genom att utsätta materialet för högt tryck. "Just då, Jag visste inte exakt varför. Jag kallade det kemisk intuition. "

Utmanande experiment

Hybrid Solar Cells -gruppen vid AMOLF har tidigare utvecklat en installation som var mycket användbar i det här fallet:en transient absorptionsspektrometer (TAS) som kan mäta perovskites elektroniska egenskaper under mycket högt tryck. "Det finns ingen annan jämförbar installation som kombinerar TAS med en tryckcell i världen, "säger gruppledaren Bruno Ehrler." Men jag var initialt skeptisk till Elines idé, delvis för att experiment som vi skulle behöva göra verkade för utmanande. "

Tillsammans med sin kollega Loreta Muscarella, Eline Hutter använde denna inställning för att mäta vad som händer efter att materialet har belysts. "Om det inte finns något tryck på materialet, vi observerar en separation av brom och jod. Under 3000 bar tryck, vi ser att separation inte längre sker. "

Praktisk lösning

Detta resultat bekräftade Hutters hypotes om att den fria volymen i materialet, och följaktligen trycket, spelar en avgörande roll för separationen av halogeniderna. Att producera en solcell som är under så högt tryck är opraktiskt. Dock, det finns en praktisk lösning, förklarar Hutter. "Om vi ​​ersätter katjonen i perovskitens burar med en mindre katjon, t.ex. cesium, sker en så kallad kemisk sammandragning. Hela strukturen krymper, precis som jorden som torkar ut och drar ihop sig. Effekten är exakt densamma som att utsätta materialet för högt tryck. "

Hutter och hennes kollegor använde därefter TAS för att visa att i denna kemiskt komprimerade perovskit, separationen av jod och brom inträffade inte längre. Med detta, de visade att en bortglömd aspekt av teorin är viktig:materialets volym har tidigare uteslutits från beräkningarna, säger Hutter. "Från min synvinkel, det som gör denna forskning så intressant är länken mellan yttre och inre tryck. "

Detta är en viktig upptäckt för att göra perovskiter stabila, säger Ehrler. "Fokus har mest varit på kinetiken:att fördröja jonernas rörelse för att bromsa separationen. Nu har vi visat att trycket ökar, förändrar termodynamiken:jonerna rör sig lika snabbt, men avskiljningen av jod och brom är inte längre energiskt gynnsam. Så den segregeringen sker inte längre. "