Jakten på hållbar energigenereringsteknik har fått forskare att undersöka olika material och deras kombinationer i många typer av enheter. Ett sådant syntetiskt material, perovskite, är låg kostnad och lätt att producera, och kan användas i solceller. Perovskite solceller har väckt stor uppmärksamhet eftersom deras effektomvandlingseffektivitet (det vill säga deras effektivitet när det gäller att förvandla solljus till elektricitet) har sett dramatiska förbättringar de senaste åren. Dock, det har visat sig svårt att implementera dem för storskalig energiproduktion på grund av en handfull problem.

Ett problem som perovskitsolceller står inför är reproducerbarhet. Detta innebär att det är svårt att konsekvent skapa perovskitkristalllager fria från defekter och hål, vilket innebär att avvikelser från konstruktionsvärden alltid kommer att förekomma, som minskar deras effektivitet. På den ljusa sidan, forskare har funnit att effektiviteten hos dessa celler kan ökas genom att kombinera perovskit med kolnanorör (CNT). Mekanismen genom vilken CNT och perovskit binder samman och hur detta påverkar prestandan hos CNT perovskite solceller har inte studerats på djupet. Särskilt, förmågan hos rena CNT:er att binda till perovskit är inte särskilt bra, och detta kan äventyra de strukturella och ledande egenskaperna vid gränsytan mellan båda materialen.

Ett team från Tokyo Tech ledd av prof. Keiko Waki ​​genomförde en serie experiment på perovskitsolceller i kombination med olika typer av CNT i ett försök att både förbättra deras prestanda och stabilitet och förstå de underliggande mekanismerna. De använde inte bara rena CNT, men också CNT som bar "syreinnehållande funktionella grupper" i sin struktur, som har varit kända för att stärka interaktionen mellan CNT och perovskite, vilket resulterar i bättre gränssnitt och förbättrar kristalliseringen av perovskit.

Denna forskning bestod av flera experiment som gav insikt i många aspekter av CNT-perovskite interaktioner. Först, de visade den överlägsna elektriska prestandan hos celler med funktionaliserade CNTs jämfört med de med rena CNTs och fann bevis som stöder att större kristaller och färre ytdefekter uppstår när man använder funktionaliserade CNT. Sedan, teamet drog slutsatsen att perovskiten i cellerna skulle genomgå en omkristalliseringsprocess om den förvaras i mörker, och att närvaron av de funktionella grupperna i CNT skulle ha en betydande effekt på denna process. Detta bekräftades genom lagring av cellerna i över två månader och mätning av deras elektriska egenskaper efteråt (fig. 1).

"Vi har upptäckt självkristallisationsförmågan hos perovskit vid rumstemperatur, vars morfologi förbättrades avsevärt efter långtidslagring. Dock, det mest intressanta resultatet var förmågan hos funktionaliserade CNT:er att använda sig av självrekristallisationsnaturen för att bilda en starkare förbindelse mellan perovskiten och CNT:er genom rekonstruktionen, " säger prof. Waki. Framför allt, de funktionaliserade CNT förbättrade kontakten mellan de två materialen avsevärt och de funktionella grupperna fungerade som ett skydd mot attacker från fukt på perovskiten, tillåter självrekristalliseringen och gränssnittsrekonstruktionen att fortsätta utan märkbar försämring. Forskargruppen fann också att omkristalliseringsprocessen kunde påskyndas enormt genom att ständigt utsätta solcellerna för frekventa mätningar, men detta påverkade i slutändan deras stabilitet och försämrade dem.

Sådana djupgående studier av perovskitsolceller och sätt att förbättra dem är mycket värdefulla eftersom de tar oss närmare nya källor till ren energi. "Vi hoppas att denna studie bidrar till produktionen av perovskiter med högre stabilitet och reproducerbarhet, " avslutar Prof. Waki. Dessa fynd kommer att fungera som ytterligare en språngbräda så att vi kan se perovskitsolceller som en nyckelteknologi för att bevara vår planet.