Bland de material som kallas perovskiter, en av de mest spännande är ett material som kan omvandla solljus till elektricitet lika effektivt som dagens kommersiella kiselsolceller och som har potential att bli mycket billigare och enklare att tillverka.

Det finns bara ett problem:av de fyra möjliga atomkonfigurationerna, eller faser, detta material kan ta, tre är effektiva men instabila vid rumstemperatur och i vanliga miljöer, och de återgår snabbt till den fjärde fasen, vilket är helt värdelöst för solenergiapplikationer.

Nu har forskare vid Stanford University och Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory hittat en ny lösning:Placera helt enkelt den oanvändbara versionen av materialet i en diamantstädcell och kläm den vid hög temperatur. Denna behandling knuffar sin atomstruktur till en effektiv konfiguration och håller den så, även vid rumstemperatur och i relativt fuktig luft.

Forskarna beskrev sina resultat i Naturkommunikation .

"Detta är den första studien som använder tryck för att kontrollera denna stabilitet, och det öppnar verkligen upp för många möjligheter, sa Yu Lin, en SLAC-personalforskare och utredare vid Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES).

"Nu när vi har hittat det här optimala sättet att förbereda materialet, " Hon sa, "det finns potential att skala upp det för industriell produktion, och för att använda samma tillvägagångssätt för att manipulera andra perovskitfaser."

Ett sökande efter stabilitet

Perovskites får sitt namn från ett naturligt mineral med samma atomstruktur. I det här fallet studerade forskarna en blyhalogenidperovskit som är en kombination av jod, bly och cesium.

En fas av detta material, känd som den gula fasen, har inte en äkta perovskitstruktur och kan inte användas i solceller. Dock, forskare upptäckte för ett tag sedan att om man bearbetar det på vissa sätt, den ändras till en svart perovskitfas som är extremt effektiv för att omvandla solljus till elektricitet. "Detta har gjort det mycket eftertraktat och fokus för mycket forskning, " sa Stanford Professor och studiemedförfattare Wendy Mao.

Tyvärr, dessa svarta faser är också strukturellt instabila och tenderar att snabbt falla tillbaka till den värdelösa konfigurationen. Plus, de fungerar endast med hög effektivitet vid höga temperaturer, Mao sa, och forskare måste övervinna båda dessa problem innan de kan användas i praktiska enheter.

Det hade gjorts tidigare försök att stabilisera de svarta faserna med kemi, stam eller temperatur, men bara i en fuktfri miljö som inte speglar de verkliga förhållanden som solceller verkar i. Denna studie kombinerade både tryck och temperatur i en mer realistisk arbetsmiljö.

Tryck och värme gör susen

Arbetar med kollegor i Maos Stanford-forskargrupper och professor Hemamala Karunadasa, Lin och postdoktorn Feng Ke designade en uppställning där gulfaskristaller klämdes mellan spetsarna på diamanter i vad som kallas en diamantstädcell. Med trycket kvar, kristallerna värmdes till 450 grader Celsius och kyldes sedan ner.

Under rätt kombination av tryck och temperatur, kristallerna övergick från gula till svarta och stannade i den svarta fasen efter att trycket släppts, sa forskarna. De var resistenta mot försämring från fuktig luft och förblev stabila och effektiva vid rumstemperatur i 10 till 30 dagar eller mer.

Undersökning med röntgenstrålar och andra tekniker bekräftade förändringen i materialets kristallstruktur, och beräkningar av SIMES-teoretiker Chunjing Jia och Thomas Devereaux gav insikt i hur trycket förändrade strukturen och bevarade den svarta fasen.

Trycket som behövdes för att göra kristallerna svarta och hålla dem så var ungefär 1, 000 till 6, 000 gånger atmosfärstryck, Lin sa - ungefär en tiondel av det tryck som rutinmässigt används i industrin för syntetiska diamanter. Så ett av målen för ytterligare forskning kommer att vara att överföra det som forskarna har lärt sig från sina experiment med diamantstädcell till industrin och skala upp processen för att få den inom tillverkningsområdet.