AMOLF-forskarna Erik Garnett, Susan Rigter, och kollegor är de första som ovedersägligt har visat att amorf perovskit existerar. Materialet kan avsevärt öka effektiviteten hos solceller som produceras av perovskit. Forskningen publiceras idag i tidskriften Avancerade funktionella material .

Perovskite, det mycket lovande nya materialet för solceller, är naturligt kristallin; med andra ord, atomerna packas ihop i ett ordnat mönster. Från traditionella kiselsolceller, vi vet att effektiviteten hos cellerna kan ökas om en del av materialet är amorft, vilket betyder att atomerna packas ihop slumpmässigt.

Erik Garnett (AMOLF Nanoscale Solar Cells) var den första som insåg att amorf perovskit kunde fylla samma funktion. Följande utmaning var att producera materialet och studera dess egenskaper. Garnett förklarar varför det var svårt:"Perovskite består av joner. Av naturen, dessa organiseras lätt i ett kristallgitter, precis som bordssalt, till exempel. Vi behövde komma på ett knep för att förhindra att de där kristallerna bildas, och vi lyckades göra just det. Använda tekniker som röntgendiffraktion, vi visade senare också att materialet är amorft. Med detta, vi levererade det första obestridliga beviset på att amorf perovskit existerar."

Vinäger gör perovskit amorf

Tricket som Garnett, första författare till artikeln Susan Rigter, och deras kollegor tillämpade varierar mängden metylammoniumacetat, en av komponenterna i perovskite. Mer acetat (nyckelingrediensen i vinäger) resulterar i mer amorf perovskit eftersom det hindrar kristallisationsprocessen och påskyndar försvinnandet av lösningsmedlet. "Vi blev faktiskt förvånade över att vi kunde bilda amorf perovskit, så vi ville undersöka bildningsmekanismen, " säger Garnett. "Vi visade att som ett mellanstadium, ett komplex bildas i lösningen som hindrar kristallisation. När vi därefter värmer lösningen för att förånga lösningsmedlet, komplexet sönderfaller så snabbt att det inte hinner kristallisera."

Metoden som forskarna tagit fram för att göra amorf perovskit är allmänt användbar. Den mest studerade perovskiten är metylammonium blyjodid, men syntesen fungerar även med andra ammoniumsalter och med andra halogenider som bromid istället för jodid. Vidare, det visade sig att variation av dessa komponenter gav en förändring i bandgapet, en egenskap hos ämnet som indikerar vilket färgljus solcellen absorberar och omvandlar till elektricitet mest effektivt. Möjligheten att ställa in det amorfa bandgapet gör att många material med olika bandgap kan kombineras, leder till effektivare solceller.

Effektiva solceller

Analogt med kiselsolceller, ett amorft lager av perovskit kan bidra till att förbättra effektiviteten genom att tillhandahålla ett så kallat passiverande lager, säger Garnett. Elektroner frigörs i materialet till följd av att ljus lyser på en solcell. Dessa elektroner rör sig till ytan där de avlägsnas genom elektroniska kontakter. Detta ger upphov till en ström. I en kristall, elektronerna kan fastna vid kristallens gräns. I rekordstora kiselsolceller, ett amorft passiveringsskikt säkerställer att detta inte händer, vilket leder till högre effekt från solcellen. Amorf perovskit kan också fylla denna funktion, vilket ytterligare skulle öka effektiviteten hos perovskitsolceller. "Vi mäter starkare och längre livslängd ljusemission när vi använder den amorfa perovskiten som ett passiverande skikt, vilket är en indikation på en bättre fungerande solcell, säger Garnett.

Därför, nästa steg i forskningen är att producera den här typen av solceller, börjar med ett lager av kristallin perovskit som är täckt av ett lager av amorf perovskit. Det är svårare än att bara producera amorf perovskit eftersom det underliggande kristallina lagret ger en ordnad mall, vilket gör det lättare för atomer att packa på ett ordnat sätt. "Jag anser att analogin med kisel är den mest spännande aspekten av vår forskning, " säger Garnett. "Jag tror att detta är ett betydande genombrott för perovskites med enorma möjligheter."