Under det senaste årtiondet, perovskiter – en mångfald av material med en specifik kristallstruktur – har dykt upp som lovande alternativ till kiselsolceller, eftersom de är billigare och grönare att tillverka, samtidigt som man uppnår en jämförbar effektivitetsnivå.

Dock, perovskiter visar fortfarande betydande prestandaförluster och instabilitet, särskilt i de specifika materialen som lovar högsta effektivitet. Mest forskning hittills har fokuserat på sätt att ta bort dessa förluster, men deras faktiska fysiska orsaker förblir okända.

Nu, i en tidning som publicerades idag i Natur , forskare från Dr. Sam Stranks grupp vid Cambridge Universitys avdelning för kemiteknik och bioteknik och Cavendish Laboratory, och professor Keshav Danis Femtosekundspektroskopienhet vid OIST i Japan, identifiera källan till problemet. Deras upptäckt kan effektivisera ansträngningarna för att öka effektiviteten hos perovskiter, för dem närmare massmarknadsproduktion.

Perovskitmaterial är mycket mer toleranta mot defekter i sin struktur än kiselsolceller, och tidigare forskning utförd av Stranks grupp fann att i viss utsträckning, viss heterogenitet i deras sammansättning förbättrar faktiskt deras prestanda som solceller och ljussändare.

Dock, den nuvarande begränsningen av perovskitmaterial är närvaron av en "djupfälla" orsakad av en viss typ av defekt, eller mindre fläck, i materialet. Dessa är områden i materialet där strömförsörjda laddningsbärare kan fastna och rekombinera, förlora sin energi till värme, snarare än att omvandla den till användbar el eller ljus. Denna oönskade rekombinationsprocess kan ha en betydande inverkan på effektiviteten och stabiliteten hos solpaneler och lysdioder.

Tills nu, mycket lite var känt om orsaken till dessa fällor, delvis för att de verkar bete sig ganska annorlunda än fällor i traditionella solcellsmaterial.

2015, Dr. Stranks och hans kollegor publicerade en vetenskaplig artikel som tittade på luminescensen hos perovskiter, som avslöjar hur bra de är på att absorbera eller sända ut ljus. "Vi fann att materialet var väldigt heterogent; du hade ganska stora områden som var ljusa och självlysande, och andra områden som var riktigt mörka, " säger Stranks. "Dessa mörka områden motsvarar strömförluster i solceller eller lysdioder. Men vad som orsakade strömavbrottet var alltid ett mysterium, speciellt för att perovskiter annars är så defekttoleranta."

På grund av begränsningar hos standardbildtekniker, gruppen kunde inte avgöra om de mörkare områdena orsakades av en, stor fällplats, eller många mindre fällor, vilket gör det svårt att fastställa varför de bara bildades i vissa regioner.

Senare under 2017, Professor Keshav Danis grupp vid OIST publicerade en artikel i Naturens nanoteknik , där de gjorde en film om hur elektroner beter sig i halvledare efter att ha absorberat ljus. "Man kan lära sig mycket av att kunna se hur laddningar rör sig i ett material eller en enhet efter att ha skenat ljus. T.ex. du kan se var de kan fastna, " säger Dani. "Men, dessa laddningar är svåra att visualisera eftersom de rör sig mycket snabbt – på tidsskalan en miljondels miljarddels sekund; och över mycket korta avstånd - på längdskalan en miljarddels meter."

När jag hörde om Danis arbete, Dr Stranks sträckte ut handen för att se om de kunde arbeta tillsammans för att ta itu med problemet med att visualisera de mörka områdena i perovskiter.

Teamet på OIST använde en teknik som kallas fotoemissionselektronmikroskopi (PEEM) för första gången på perovskiter, där de sonderade materialet med ultraviolett ljus och byggde upp en bild utifrån hur de emitterade elektronerna spreds.

När de tittade på materialet, de fann att de mörka områdena innehöll fällor, cirka 10-100 nanometer i längd, som var kluster av mindre fångstplatser i atomstorlek. Dessa fångstkluster var ojämnt spridda över perovskitmaterialet, förklarar den heterogena luminescens som ses i Stranks tidigare forskning.

Spännande nog, när forskarna lade över bilder av fällplatserna på bilder som visade kristallkornen av perovskitmaterialet, de fann att fångstklustren bara bildades på specifika platser, vid gränserna mellan vissa korn.

För att förstå varför detta bara inträffade vid vissa korngränser, grupperna arbetade tillsammans med professor Paul Midgleys team från Cambridge Universitys institution för materialvetenskap och metallurgi genom att använda en teknik som kallas scanning elektrondiffraktion för att skapa detaljerade bilder av perovskitens kristallstruktur. Projektgruppen använde sig av elektronmikroskopinställningen vid ePSIC-anläggningen vid Diamond Light Source Synchrotron, som har specialiserad utrustning för avbildning av strålkänsliga material, som perovskiter.

"Eftersom dessa material är mycket strålkänsliga, typiska tekniker som du skulle använda för att undersöka lokal kristallstruktur på dessa längdskalor kommer ganska snabbt att förändra materialet när du tittar på det, vilket kan göra det mycket svårt att tolka data" förklarar Tiarnan Doherty, en Ph.D. student i Stranks grupp och medförfattare till studien. "Istället, vi kunde använda mycket låga exponeringsdoser och därför förhindra skador.

"Från arbetet på OIST, vi visste var fångstklustren fanns, och på ePSIC, vi skannade runt i samma områden för att se den lokala strukturen. Vi kunde sedan snabbt peka ut oväntade variationer i kristallstrukturen runt fällaklustren."

Gruppen upptäckte att fångstklustren endast bildades vid korsningar där ett område av materialet med lätt förvrängd struktur mötte ett område med orörd struktur.

"I perovskites, vi har dessa vanliga mosaikkorn av material och de flesta kornen är fina och orörda – strukturen vi förväntar oss, " säger Stranks. "Men då och då, du får ett korn som är något förvrängt och kemin i det kornet är inhomogen. Vad som var riktigt intressant och som först förvirrade oss, var att det inte är det förvrängda säden som är fällan utan där det sädeskornet möter ett orördt korn; det är i den korsningen som fällorna samlas."

Med denna förståelse av fällornas natur, teamet på OIST använde också den specialbyggda PEEM-instrumenteringen för att visualisera dynamiken i laddningsbärares fångstprocess som sker i perovskitmaterialet. "Detta var möjligt eftersom en av de unika egenskaperna hos vår PEEM-installation är att den kan avbilda ultrasnabba processer - så korta som femtosekunder, " förklarar Andrew Winchester, en Ph.D. student vid Prof. Danis enhet, och medförfattare till denna studie. "Vi fann att fångstprocessen dominerades av laddningsbärare som diffunderade till fångstklustren."

Dessa upptäckter representerar ett stort genombrott i strävan att få perovskiter till solenergimarknaden.

"Vi vet fortfarande inte exakt varför fällorna samlas där, men vi vet nu att de bildas där, och till synes bara där, " säger Stranks. "Det är spännande eftersom det betyder att vi nu vet vad vi ska sikta på för att få upp perovskites prestationer. Vi måste rikta in oss på de inhomogena faserna eller bli av med dessa korsningar på något sätt."

"Det faktum att laddningsbärare först måste diffundera till fällorna kan också föreslå andra strategier för att förbättra dessa enheter, " säger Dani. "Kanske vi skulle kunna ändra eller kontrollera arrangemanget av fångstklustren, utan att nödvändigtvis ändra deras genomsnittliga antal, så att laddningsbärare är mindre benägna att nå dessa defekta platser."

Teamens forskning fokuserade på en viss perovskitstruktur. Forskarna kommer nu att undersöka om orsaken till dessa fångstkluster är universell för andra perovskitmaterial.

"De flesta framstegen i enhetens prestanda har varit trial and error och hittills, detta har varit en ganska ineffektiv process, säger Stranks. Hittills det har verkligen inte drivits av att känna till en specifik orsak och systematiskt rikta in sig på det. Detta är ett av de första genombrotten som kommer att hjälpa oss att använda den grundläggande vetenskapen för att konstruera mer effektiva enheter."