Solpaneler, även känd som solceller, är beroende av halvledarenheter, eller solceller, för att omvandla energi från solen till elektricitet.

För att generera elektricitet behöver solceller ett elektriskt fält för att separera positiva laddningar från negativa laddningar. För att få detta fält dopar tillverkare vanligtvis solcellen med kemikalier så att ett lager av enheten bär en positiv laddning och ett annat lager en negativ laddning. Denna flerskiktiga design säkerställer att elektroner flödar från den negativa sidan av en enhet till den positiva sidan – en nyckelfaktor för enhetens stabilitet och prestanda. Men kemisk dopning och skiktad syntes lägger också till extra kostsamma steg i solcellstillverkningen.

Nu har ett team av forskare ledda av forskare vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), i samarbete med UC Berkeley, visat en unik lösning som erbjuder ett enklare tillvägagångssätt för solcellstillverkning:Ett kristallint solmaterial med en inbyggd lösning. elektriskt fält — en egenskap som möjliggörs av vad forskare kallar "ferroelektricitet". Materialet rapporterades tidigare i år i tidskriften Science Advances .

Det nya ferroelektriska materialet – som odlas i labbet från cesiumgermaniumtribromid (CsGeBr₃ eller CGB) – öppnar dörren till ett enklare sätt att tillverka solcellsenheter. Till skillnad från konventionella solmaterial är CGB-kristaller i sig polariserade, där ena sidan av kristallen bygger upp positiva laddningar och den andra sidan bygger upp negativa laddningar, ingen dopning krävs.

Förutom att vara ferroelektrisk är CGB också en blyfri "halidperovskite", en framväxande klass av solmaterial som har fascinerat forskare för deras överkomliga priser och enkla syntes jämfört med kisel. Men många av de bäst presterande halidperovskiterna innehåller naturligt grundämnet bly. Enligt andra forskare som publicerar i Materials Today Energy 2017 kan blyrester från produktion och bortskaffande av perovskitsolmaterial förorena miljön och utgöra problem för folkhälsan. Av dessa skäl har forskare sökt nya halogenidperovskitformuleringar som undviker bly utan att kompromissa med prestanda.

"Om du kan föreställa dig ett blyfritt solmaterial som inte bara skördar energi från solen utan också har den extra bonusen att ha ett naturligt, spontant bildat elektriskt fält - möjligheterna inom solenergi- och elektronikindustrin är ganska spännande," sa co-senior författaren Peidong Yang, en ledande nanomaterialexpert känd för sitt banbrytande arbete inom endimensionella halvledande nanotrådar för nya solcellsteknologier och artificiell fotosyntes. Han är senior fakultetsforskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och professor i kemi och materialvetenskap och teknik vid UC Berkeley.

CGB skulle också kunna utveckla en ny generation av växlingsenheter, sensorer och superstabila minnen som reagerar på ljus, sa medförfattaren Ramamoorthy Ramesh, som hade titlar som senior fakultetsforskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och professor i materialvetenskap och ingenjör vid UC Berkeley vid tidpunkten för studien och är nu vice vd för forskning vid Rice University.

Perovskite solfilmer tillverkas vanligtvis med hjälp av lågkostnadslösningsbeläggningsmetoder, såsom spinnbeläggning eller bläckstråleutskrift. Och till skillnad från kisel, som kräver en bearbetningstemperatur på cirka 2 732 grader Fahrenheit för att tillverka till en solenhet, bearbetas perovskiter lätt från lösning vid rumstemperatur till cirka 300 grader Fahrenheit - och för tillverkare skulle dessa lägre bearbetningstemperaturer dramatiskt minska energikostnaderna.

Men trots deras potentiella uppsving för solenergisektorn, kommer perovskite solmaterial inte att vara redo för marknaden förrän forskare övervinner långvariga utmaningar i produktsyntes och stabilitet, och material hållbarhet.

Fäst den perfekta ferroelektriska perovskiten

Perovskiter kristalliseras från tre olika grundämnen; och varje perovskitkristall avgränsas av den kemiska formeln ABX₃

De flesta perovskit-solmaterial är inte ferroelektriska eftersom deras kristallina atomstruktur är symmetrisk, som en snöflinga. Under de senaste decennierna har forskare inom förnybar energi som Ramesh och Yang varit på jakt efter exotiska perovskiter med ferroelektrisk potential – närmare bestämt asymmetriska perovskiter.

För några år sedan undrade förstaförfattaren Ye Zhang, som var doktorandforskare vid UC Berkeley i Yangs labb vid den tiden, hur hon kunde göra en blyfri ferroelektrisk perovskit. Hon teoretiserade att placering av en germaniumatom i mitten av en perovskit skulle förvränga dess kristallinitet precis tillräckligt för att framkalla ferroelektricitet. Utöver det skulle en germaniumbaserad perovskit befria materialet från bly. (Zhang är nu postdoktor vid Northwestern University.)

Men även om Zhang hade finslipat germanium, fanns det fortfarande osäkerheter. Att trolla fram den bästa blyfria, ferroelektriska perovskitformeln är trots allt som att hitta en nål i en höstack. Det finns tusentals möjliga formuleringar.

Så Yang, Zhang och team samarbetade med Sinéad Griffin, en stabsforskare vid Berkeley Labs Molecular Foundry and Materials Sciences Division som specialiserat sig på design av nya material för en mängd olika tillämpningar, inklusive kvantberäkning och mikroelektronik.

Med stöd från Materials Project använde Griffin superdatorer vid National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) för att utföra avancerade teoretiska beräkningar baserade på en metod som kallas densitetsfunktionella teorin.

Genom dessa beräkningar, som tar atomstruktur och kemiska arter som input och kan förutsäga egenskaper som den elektroniska strukturen och ferroelektricitet, nollställde Griffin och hennes team CGB, den enda helt oorganiska perovskiten som bockade av alla rutor på forskarnas ferroelektrisk perovskite önskelista:Är den asymmetrisk? Ja, dess atomstruktur ser ut som en rhombohedran, rektangelns krokiga kusin. Är det verkligen en perovskite? Ja, dess kemiska formel – CeGeBr₃ – matchar perovskitens kontrollanta struktur för ABX₃ .

Forskarna ansåg att den asymmetriska placeringen av germanium i mitten av kristallen skulle skapa en potential som, likt ett elektriskt fält, separerar positiva elektroner från negativa elektroner för att producera elektricitet. Men hade de rätt?

Mätning av CGB:s ferroelektriska potential

För att ta reda på det odlade Zhang små nanotrådar (100 till 1 000 nanometer i diameter) och nanoplattor (cirka 200 till 600 nanometer tjocka och 10 mikron breda) av enkristallin CGB med exceptionell kontroll och precision.

"Mitt labb har försökt ta reda på hur man kan ersätta bly med mindre giftiga material i många år", säger Yang. "Ni utvecklade en fantastisk teknik för att odla enkristall-germaniumhalogenidperovskiter — och det är en vacker plattform för att studera ferroelektricitet."

Röntgenexperiment vid Advanced Light Source avslöjade CGB:s asymmetriska kristallina struktur, en signal om ferroelektricitet. Elektronmikroskopiexperiment ledda av Xiaoqing Pan vid UC Irvine avslöjade fler bevis på CGB:s ferroelektricitet:en "förskjuten" atomstruktur förskjuten av germaniumcentret.

Samtidigt avslöjade elektriska mätexperiment utförda i Ramesh-labbet av Zhang och Eric Parsonnet, en doktorand i fysik vid UC Berkeley och medförfattare till studien, en omkopplingsbar polaritet i CGB, vilket tillfredsställer ytterligare ett krav på ferroelektricitet.

Men ett sista experiment – ​​fotokonduktivitetsmätningar i Yangs UC Berkeley-labb – gav ett förtjusande resultat och en överraskning. Forskarna fann att CGB:s ljusabsorption är avstämbar - spänner över spektrumet av synligt till ultraviolett ljus (1,6 till 3 elektronvolt), ett idealiskt intervall för att övertala hög energiomvandlingseffektivitet i en solcell, sa Yang. Sådan avstämning finns sällan i traditionell ferroelektrik, noterade han.

Yang säger att det fortfarande finns mer arbete att göra innan CGB-materialet kan göra sin debut i en kommersiell solcellsenhet, men han är exalterad över deras resultat hittills. "Detta ferroelektriska perovskitmaterial, som i huvudsak är ett salt, är förvånansvärt mångsidigt," sa han. "Vi ser fram emot att testa dess verkliga potential i en riktig solcellsenhet." + Utforska vidare

Germanium-bly perovskite LEDs:Ett nytt sätt att minska toxicitet