Halide perovskite solceller lovar som nästa generation av solcellsteknologier, men medan forskare har utvecklat tekniker för att förbättra deras materialegenskaper, ingen förstod varför dessa tekniker fungerade. Ny forskning belyser vetenskapen bakom dessa tekniska lösningar och banar väg för utveckling av mer effektiva halidperovskitsolceller.

"Det här handlar om materialdesign, säger Aram Amassian, motsvarande författare till en artikel om arbetet och en docent i materialvetenskap och teknik vid North Carolina State University.

"Om du avsiktligt vill konstruera halidperovskitsolceller som har de önskvärda egenskaperna du letar efter, du måste förstå inte bara hur materialet beter sig under olika förhållanden, men varför, Amassian säger. "Detta arbete ger oss en bättre förståelse för denna klass av material, och den förståelsen kommer att belysa vårt arbete framåt."

Halidperovskiter är i grunden salter, med positivt och negativt laddade komponenter som går samman för att bilda en neutral förening. Och de har flera egenskaper som gör dem önskvärda för tillverkning av högeffektiva solceller. De kan lösas upp i en vätska och sedan bilda högkvalitativa kristaller vid låga temperaturer, vilket är attraktivt ur tillverkningssynpunkt. Dessutom, de är lätta att reparera och kan tolerera defekter i materialet utan att se ett stort fall av deras halvledaregenskaper.

Ett internationellt team av forskare grävde ner sig i ett nyckelfenomen relaterat till syntes och bearbetning av solceller av halogenperovskit. Det innebär att tillsats av cesium och rubidium i syntesprocessen av blandade halogenidperovskitföreningar gör den resulterande solcellen mer kemiskt homogen - vilket är önskvärt, eftersom detta gör materialets egenskaper mer enhetliga i hela cellen. Men tills nu, ingen visste varför.

För att undersöka problemet, forskarna använde tidsbestämda, Röntgendiagnostik för att fånga och spåra förändringar i de kristallina föreningar som bildas under hela syntesprocessen. Mätningarna utfördes vid Cornell High Energy Synchrotron Source.

"Dessa studier är avgörande för att definiera nästa steg mot marknadsberedskapen för perovskitbaserade solceller, "säger Stefaan De Wolf, motsvarande författare till artikeln och docent i materialvetenskap och teknik vid King Abdullah University of Science and Technology (KAUST).

"Vad vi hittade är att några av prekursorerna, eller ingredienser, vill bilda flera andra föreningar än den vi vill, som kan gruppera nyckelelement oregelbundet i materialet, " säger Amassian. "Det var något vi inte visste innan.

"Vi fann också att införandet av cesium och rubidium i processen samtidigt effektivt undertrycker bildandet av de andra föreningarna, underlätta bildandet av den önskade, homogen halogenidperovskitförening som används för att tillverka högpresterande solceller."

Nästa steg för arbetet inkluderar att översätta dessa lärdomar från laboratoriebaserad spin-coating till stora tillverkningsplattformar som kommer att möjliggöra tillverkning av perovskitsolceller med hög genomströmning.