Människor kan vara bra på att dölja påfrestningar, och vi är inte ensamma. Solceller har samma talang. För en solcell, fysisk påfrestning i dess mikroskopiska kristallina struktur kan avbryta dess kärnfunktion – omvandla solljus till elektricitet – genom att i huvudsak "förlora" energi som värme. För en ny typ av solcell, känd som blyhalogenidperovskiter, Att minska och tämja denna förlust är nyckeln till att förbättra effektiviteten och ställa perovskiterna i nivå med dagens kiselsolceller.

För att förstå var påfrestningar byggs upp i en solcell och utlöser energiförlusten, forskare måste visualisera den underliggande kornstrukturen av perovskitkristaller i solcellen. Men det bästa tillvägagångssättet innebär att bombardera solcellen med högenergielektroner, vilket i huvudsak bränner solcellen och gör den oanvändbar.

Forskare från University of Washington och FOM Institute for Atomic and Molecular Physics i Nederländerna har utvecklat ett sätt att belysa spänningar i blyhalogenid perovskitsolceller utan att skada dem. Deras tillvägagångssätt, publicerad online 10 september in Joule , lyckats avbilda kornstrukturen i en perovskitsolcell, visar att felorientering mellan mikroskopiska perovskitkristaller är den primära bidragsgivaren till uppbyggnaden av spänningar i solcellen. Kristallfelorientering skapar småskaliga defekter i kornstrukturen, som avbryter transporten av elektroner inom solcellen och leder till värmeförlust genom en process som kallas icke-strålningsrekombination.

"Genom att kombinera vår optiska bildbehandling med den nya elektrondetektorn som utvecklats vid FOM, vi kan faktiskt se hur de enskilda kristallerna är orienterade och sammansatta i en perovskitsolcell, " sa seniorförfattaren David Ginger, en UW-professor i kemi och chefsforskare vid det UW-baserade Clean Energy Institute. "Vi kan visa att spänningar byggs upp på grund av kornorienteringen, vilken information forskare kan använda för att förbättra perovskitsyntes och tillverkningsprocesser för att realisera bättre solceller med minimal belastning - och därför minimal värmeförlust på grund av icke-strålningsrekombination."

Blyhalogenidperovskiter är billiga, utskrivbara kristallina föreningar som visar lovande som låg kostnad, anpassningsbara och effektiva alternativ till kisel- eller galliumarsenidsolcellerna som används flitigt idag. Men även de bästa perovskitsolcellerna förlorar en del elektricitet som värme på mikroskopiska platser utspridda över cellen, vilket dämpar effektiviteten.

Forskare har länge använt fluorescensmikroskopi för att identifiera de platser på perovskitsolcellernas yta som minskar effektiviteten. Men för att identifiera platserna för defekter som orsakar värmeförlusten, forskare måste avbilda filmens verkliga kornstruktur, enligt första författaren Sarthak Jariwala, en UW doktorand i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och en Clean Energy Institute Graduate Fellow.

"Historiskt sett, avbildning av solcellens underliggande sanna kornstruktur har inte varit möjligt att göra utan att skada solcellen, sa Jariwala.

Typiska tillvägagångssätt för att se den inre strukturen använder en form av elektronmikroskopi som kallas elektronbackscatter-diffraktion, som normalt skulle bränna solcellen. Men forskare vid FOM-institutet för atom- och molekylfysik, ledd av medförfattarna Erik Garnett och Bruno Ehrler, utvecklat en förbättrad detektor som kan fånga elektronbackscatter-diffraktionsbilder vid lägre exponeringstider, bevara solcellsstrukturen.

Bilderna av perovskitsolceller från Ginger's labb avslöjar en kornstruktur som liknar en torr sjöbädd, med "sprickor" som representerar gränserna mellan tusentals individuella perovskitkorn. Med hjälp av denna bilddata, forskarna kunde för första gången kartlägga 3D-orienteringen av kristaller i en fungerande perovskitsolcell. De kan också avgöra var felinriktningen mellan kristaller skapade spänning.

När forskarna överlagrade bilder av perovskitens kornstruktur med centra för icke-strålningsrekombination, som Jariwala avbildade med fluorescensmikroskopi, de upptäckte att icke-strålningsrekombination också kunde ske borta från synliga gränser.

"Vi tror att stam lokalt deformerar perovskitstrukturen och orsakar defekter, " sa Ginger. "Dessa defekter kan sedan störa transporten av elektrisk ström i solcellen, orsakar icke-strålande rekombination - även på andra ställen på ytan."

Medan Gingers team tidigare har utvecklat metoder för att "läka" några av dessa defekter som fungerar som centrum för icke-strålningsrekombination i perovskitsolceller, Helst skulle forskare vilja utveckla perovskitsyntesmetoder som helt och hållet skulle reducera eller eliminera icke-strålningsrekombination.

"Nu kan vi utforska strategier som att kontrollera kornstorlek och orienteringsspridning under perovskitsyntesprocessen, " sa Ginger. "Det kan vara vägar för att minska felorientering och påfrestningar - och förhindra att defekter bildas i första hand."