Ett team av forskare ledda av professor Yabing Qi vid enheten för energimaterial och ytvetenskap vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) i Japan har avbildat atomerna på ytan av det ljusabsorberande lagret i en ny typ av nästa generations solceller, tillverkad av ett kristallmaterial som kallas metallhalogenidperovskit.

Deras resultat, redovisas i tidskriften Energi- och miljövetenskap , har löst ett långvarigt mysterium inom området solenergiteknik, visar hur krafthöjande och stabilitetshöjande klor införlivas i perovskitmaterialet.

I en värld som nu drivs av ett behov av ren, grön energi, solenergi är en viktig väg framåt ur klimatkrisen. Och metallhalogenidperovskiter är det kommande materialet som många forskare hoppas en dag ska förmörka eller komplettera de kiselsolceller som för närvarande dominerar marknaden.

"Perovskites har potential att bli billigare, effektivare och mer mångsidig än kisel, " sa första författaren Dr. Afshan Jamshaid, en före detta Ph.D. student vid OIST Energy Materials and Surface Sciences Unit.

Men för närvarande, perovskite solceller lider av problem med effektivitet, uppskalning och stabilitet, hålla dem tillbaka från kommersialisering. Höga temperaturer, fukt och UV-ljus kan försämra perovskitmaterialet, minska hur väl den kan omvandla ljusenergi till kraft, Dr Jamshaid förklarade.

Under det senaste decenniet, forskare har varit intensivt fokuserade på att ta itu med dessa frågor. Ett sätt att förbättra perovskitsolceller har varit genom att använda dopämnen - små spår av en annan kemikalie som tillsätts under processen att göra perovskitkristallskiktet. Dopanter förändrar materialets fysikaliska och kemiska egenskaper, öka stabiliteten och effektiviteten hos solcellsenheten.

Ett sådant dopningsmedel är klor, som har visat sig öka livslängden för perovskitsolceller och förbättra deras effektomvandlingseffektivitet. Men tills nu, hur detta dopämne fungerade var ett pussel.

"Forskarsamhället hade ingen aning om varför de såg dessa förbättringar. När de väl lagts till, forskarna kunde inte spåra kloret – de kunde inte avgöra om kloret var införlivat djupt i perovskitmaterialet, stannade vid ytan eller till och med lämnade materialet under tillverkningsprocessen, ", sa Dr Jamshaid. "Omkring 50 % av samhället trodde att klor var närvarande, men de andra 50 % av samhället gjorde det inte."

I studien, forskargruppen avgjorde slutligen debatten genom att skapa tunna filmer av metallhalogenidperovskiten, metylammonium blyjodid, som var dopade med klor. De använde banbrytande skanningstunnelmikroskopi för att avbilda ytan av perovskitskiktet.

"Det var bara genom att zooma in ner till atomnivå som vi äntligen kunde upptäcka att kloret verkligen var där, bara i en mycket låg koncentration, " sa Dr Jamshaid.

Teamet fann att det fanns mörka fördjupningar på ytan som inte sågs i de rena metylammoniumblyjodidperovskitfilmerna.

Genom teoretiska beräkningar utförda av kollaboratörerna professor Wanjian Yin och Dr. Zhendong Guo vid Soochow University i Kina, forskarna drog slutsatsen att dessa mörka depressioner betyder var klor, som är mindre i storlek, har ersatt det löst bundna jodet i perovskitkristallstrukturen.

Forskargruppen märkte också att fler av dessa mörka fördjupningar inträffade runt korngränserna i perovskitfilmen.

Perovskitskiktet är inte ett enhetligt kristallgitter, utan består istället av många olika kristallkorn. Det beror på dessa sprickor mellan korn, kallas korngränser, att perovskiten i sig är så instabil.

"Mest nedbrytning från UV-ljus, temperatur eller fukt förekommer vid dessa korngränser, eftersom jonerna här är mycket lösare bundna, " sa Dr Jamshaid.

Teamet misstänker att den ökade närvaron av klor runt dessa korngränser kan förklara materialets ökade stabilitet och effektivitet, genom att minska antalet defekter på ytan.

Viktigt, forskarna fann att när de varierade koncentrationen av klor i perovskitfilmen genom att ändra hur lång tid kloret deponerades, materialets ytstruktur och elektroniska egenskaper förändrades också.

Vid den kortaste deponeringstiden, teamet kunde inte upptäcka något klor på ytan av perovskitmaterialet. Och vid den längsta deponeringstiden, kloret bildade ytterligare ett lager av joner ovanpå perovskiten som drastiskt förändrade de elektroniska egenskaperna.

Forskarna kunde räkna ut en mellanliggande deponeringstid som träffade den söta punkten - och gav en optimal koncentration av klor - runt 14,8% - på ytan. Denna koncentration gav perovskitmaterialet hög stabilitet.

Nästa steg för forskargruppen är att tillverka en komplett solcell som innehåller ett perovskitskikt dopat med denna optimala koncentration av klor.

"Det är därför grundläggande studier som dessa är så viktiga - de hjälper enhetsingenjörer att fastställa den mest optimala tillverkningsprocessen utan så mycket trial and error, ", sa Dr Jamshaid. "Genom att förstå hur dopämnena förbättrar materialet, det kan också vägleda oss mot nya kemiska blandningar som kan fungera ännu bättre."