Konstruktörerna av solceller vet att deras skapelser måste klara av ett brett spektrum av temperaturer och alla möjliga väderförhållanden - förhållanden som kan påverka deras effektivitet och livslängd.

Florida State University biträdande professor i kemi och biokemi Lea Nienhaus och tidigare FSU postdoktorala forskaren Sarah Wieghold hjälper till att förstå de grundläggande processerna i ett material som kallas perovskites, arbete som kan leda till effektivare solceller som också gör ett bättre jobb för att motstå nedbrytning. De fann att små justeringar av den kemiska sammansättningen av materialen såväl som storleken på det elektriska fältet det utsätts för i hög grad kan påverka den övergripande materialets stabilitet.

Deras senaste arbete publiceras i ett par studier i Journal of Materials Chemistry C och Journal of Applied Physics .

Deras forskning är inriktad på att förbättra potentialen hos perovskiter, ett material med en kristallstruktur baserad på positivt laddade blyjoner som kallas katjoner och negativt laddade halidanjoner. I en kubisk perovskitkristallstruktur, oktaedrarna som bildas av bly- och halogenidjonerna är omgivna av ytterligare positivt laddade katjoner.

De första perovskitsolcellerna, som utvecklades 2006, hade en energiomvandlingseffektivitet för solenergi på cirka 3 procent, men celler utvecklade 2020 har en effektomvandlingseffektivitet på mer än 25 procent. Den snabba ökningen av effektiviteten gör dem till ett lovande material för vidare forskning, men de har nackdelar för kommersiell lönsamhet, som en tendens att försämras snabbt.

"Hur kan vi göra perovskiter mer stabila under verkliga förhållanden där de kommer att användas?" Nienhaus sa. "Vad är det som orsakar nedbrytningen? Det är vad vi försöker förstå. Perovskiter som inte bryts ned snabbt kan vara ett värdefullt verktyg för att få ut mer energi från solceller."

Perovskites är ett så kallat "mjukt material, " trots jonbindningarna i kristallgittret som utgör deras struktur. Haliderna eller katjonerna i materialet kan röra sig genom det gittret, vilket kan öka deras nedbrytningshastighet, vilket leder till brist på långsiktig stabilitet.

I den Journal of Materials Chemistry C papper, forskarna undersökte den kombinerade påverkan av ljus och förhöjd temperatur på prestandan hos blandade katjoner med blandade halogenidperovskiter.

De fann att tillsats av en liten mängd av grundämnet cesium till perovskitfilmen ökar materialets stabilitet under ljus och förhöjda temperaturer. Tillsätt rubidium, å andra sidan, ledde till sämre prestanda.

"Vi fann att beroende på valet av katjon, två nedbrytningsvägar kan observeras i dessa material, som vi sedan korrelerade med en minskning av prestanda, sade Wieghold, nu en assisterande forskare vid Center for Nanoscale Materials and the Advanced Photon Source vid Argonne National Laboratory. "Vi visade också att tillsatsen av cesium ökade filmstabiliteten under våra testförhållanden, som är mycket lovande resultat."

De fann också att en minskning av filmprestanda för de mindre stabila perovskitblandningarna var korrelerad med bildningen av föreningen blybromid/jodid och en ökning av elektron-fonon-interaktioner. Bildandet av blybromid/jodid beror på den oönskade nedbrytningsmekanismen, som måste undvikas för att uppnå långsiktig stabilitet och prestanda hos dessa perovskitsolceller.

I tidningen Journal of Applied Physics, de undersökte kopplingen mellan spänning och prestandan hos perovskitmaterial. Detta visade att jonrörelsen i materialet förändrar det underliggande elektriska svaret, vilket kommer att vara en kritisk faktor för solcellsprestanda.

"Perovskites utgör en stor möjlighet för framtiden för solceller, och det är spännande att hjälpa till att föra denna vetenskap framåt, " sa Nienhaus.