Solceller är avgörande för den gröna energiomställningen. De kan användas inte bara på hustak och solgårdar utan också för att driva autonoma fordon, såsom flygplan och satelliter. Men solceller är för närvarande tunga och skrymmande, vilket gör dem svåra att transportera till avlägsna platser utanför nätet, där de är välbehövliga.

I ett samarbete ledd av Imperial College London, tillsammans med forskare från Cambridge, UCL, Oxford, Helmholtz-Zentrum Berlin i Tyskland och andra, har forskare tagit fram material som kan absorbera jämförbara nivåer av solljus som konventionella kiselsolceller, men med 10 000 gånger lägre tjocklek.

Materialet är natriumvismutsulfid (NaBiS₂ ), som odlas som nanokristaller och deponeras från lösning för att göra filmer 30 nanometer i tjocklek. NaBiS₂ består av icke-toxiska grundämnen som är tillräckligt rikliga i jordskorpan för kommersiell användning. Till exempel används vismutbaserade föreningar som en giftfri blyersättning i lod eller i receptfria magmediciner.

Yi-Teng Huang, Ph.D. student vid University of Cambridge och medförfattare, kommenterade att de "har hittat ett material som absorberar ljus starkare än konventionell solcellsteknik och kan skrivas ut med bläck. Denna teknik har potential för att göra lätta solceller som kan lätt att transportera eller användas i flygtillämpningar."

Fördelar med störning och natrium

Kritiska faktorer för den starka ljusabsorptionen är effekterna av störningar och natriums roll.

Natrium- och vismutjonerna i NaBiS₂ har liknande storlekar, vilket innebär att de istället för att ockupera olika kristallografiska platser (ordnade), upptar samma plats (ordnade). Som ett resultat ändras kristallstrukturen till bergsalt, som liknar bordssalt. Natrium och vismut är dock inte jämnt fördelade i materialet, och denna (in)homogenitet av oordning bland dessa joner har en betydande effekt på absorptionsstyrkan.

Liknande effekter hittades i nyare arbete med AgBiS₂ , men NaBiS₂ har ett starkare och skarpare insättande av ljusabsorption. Detta beror på att natrium, till skillnad från silver, inte bidrar till de elektroniska tillstånden runt halvledarens bandgap. Som ett resultat finns det en högre koncentration av elektroniska tillstånd tillgängliga för ljusabsorption.

Seán Kavanagh, medförsta författare och Ph.D. student i forskargrupperna för professor Aron Walsh vid Institutionen för material vid Imperial, och professor David Scanlon vid UCL, kommenterade att "störning länge har setts som solcellernas fiende. Känd för att döda effektiviteten i konventionella solmaterial som kisel ( Si), kadmiumtellurid (CdTe) och galliumarsenid (GaAs), har forskare vanligtvis fokuserat på att undvika det till varje pris. Detta arbete, tillsammans med andra nya studier från våra och andra grupper, visar att så inte nödvändigtvis är fallet."

"Snarare om vi kan förstå och kontrollera denna störning kan den presentera ett kraftfullt verktyg för att justera materialegenskaper och ge rekordprestanda i ett brett spektrum av applikationer, inte bara solceller utan även lysdioder och termoelektrik, till exempel. Det är en spännande möjlighet till materialforskning."

Zoomar in på en biljondels sekund

Forskarna fann också att störning har en betydande och ovanlig effekt på transporten av fotogenererade laddningar i materialet. Detta studerades med hjälp av spektroskopiska tekniker som undersöker processer som sker ner till en biljondels sekund (picosecond), såväl som beräkningsmodellering.

Dessa studier fann att en inhomogen fördelning av natrium- och vismutjoner resulterar i att lokala elektroniska tillstånd bildas, som snabbt fångar upp laddningar. Dessa laddningar lever i dessa tillstånd i tiotals mikrosekunder, vilket är minst 100 gånger längre än i andra nya halvledare. Laddningarna är dock fångade i dessa tillstånd och kan bara röra sig genom att hoppa mellan stater, vilket i slutändan begränsar deras förmåga att röra sig och utvinnas som elektricitet.

Ovanligt fann forskare också att atomdefekter spelar en försumbar roll i NaBiS₂ , eftersom transporten av avgifter domineras av effekterna av dessa lokaliserade stater. Dessa resultat visar därför vikten av att kontrollera graden av störning och förstå påverkan på de elektroniska tillstånden i material.

Forskare hittade också NaBiS₂ att vara stabila i luft under hela deras 11-månaders test utan att någon inkapsling krävs, vilket står i skarp kontrast till andra nya fotovoltaiska material, såsom bly-halogenidperovskiter. Detta tyder på den långsiktiga hållbarheten hos materialet i enheter, vilket är ett nyckelkrav för kommersiella solceller.

Många nya möjligheter

Forskare tror att dessa fynd kommer att väcka ett större intresse för NaBiS₂ och liknande material, särskilt för att förstå rollen av katjonstörning, och interaktionerna mellan laddningar och kristallgittret.

Dr Robert Hoye, universitetslektor vid Institutionen för material vid Imperial College London och motsvarande författare på tidningen, kommenterade att "detta är mycket spännande resultat som öppnar nya vägar för att optimera egenskaperna hos solenergiskördare. NaBiS₂ tillhör en spännande familj av material, och vi hoppas att de nya insikterna som genereras i vårt arbete kommer att vägleda upptäckten och valet av en ny generation av effektiva och kostnadseffektiva fotoaktiva föreningar." + Utforska vidare

Störningskonstruerade oorganiska nanokristaller sätter nytt effektivitetsrekord för ultratunna solceller