Schematisk visar ett perovskitprov (svart) undersökt med hjälp av den fototermiska inducerade resonanstekniken. När provet absorberar ljuspulser (avbildade som skivor i lila kottar), provet expanderar snabbt, orsakar fribärning av ett atomkraftmikroskop (AFM) att vibrera som en slagen stämgaffel. Fribärelsens rörelse, som detekteras genom att reflektera AFM -laserljuset (rött) från AFM -detektorn, ger ett känsligt mått på mängden ljus som absorberas. Kredit:NIST
Kristallina material som kallas perovskiter kan bli nästa superstjärnor i solceller. Under de senaste åren, forskare har visat att en särskild klass av perovskiter - de som består av en hybrid av organiska och oorganiska komponenter - omvandlar solljus till elektricitet med en effektivitet över 20 procent och är lättare att tillverka och mer ogenomträngliga för defekter än den vanliga solcellen av kristallint kisel . Såsom framställts idag, dock, dessa organiska/oorganiska perovskiter (OIP) försämras långt före den typiska 30-åriga livslängden för kiselceller, vilket förhindrar deras utbredda användning för att utnyttja solenergi.
Nu har ett team under ledning av Andrea Centrone vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och Jinsong Huang och Alexei Gruverman från University of Nebraska hittat det första solida beviset för en egenskap av OIP:er som kan ge ett nytt sätt att förbättra sin långa -term stabilitet som solceller.
Den oväntade egenskapen som teamet hittade är känd som ferroelasticitet - en spontan omorganisation av OIP:s inre struktur där varje kristall indelas i en serie små regioner, eller domäner, som har samma atomarrangemang men som är orienterade i olika riktningar. Denna omorganisation skapar en spontan påfrestning i varje domän som existerar även i frånvaro av yttre spänning (kraft).
"De ferroelastiska domänernas roll för materialstabiliteten måste förstås, sa Centrone.
Vid höga temperaturer, OIP -kristaller delar sig inte och har samma kubiska arrangemang av atomer hela tiden. Vid rumstemperatur, dock, OIP -kristallstrukturen ändras från kubisk till tetragonal, i vilken en kubaxel förlänger. Det är där materialets ferroelastiska egenskap spelar in.
Bild inspelad med ett atomkraftmikroskop avslöjar topografin av ett polykristallint prov av perovskiten, inklusive gränserna mellan kristaller. Kredit:NIST
"För att omvandla från ett kubik till ett tetragonalt arrangemang, en axel i kuben måste förlängas. I processen, varje kristall indelas i mindre domäner där den långsträckta axeln kan peka i en annan riktning, som leder till spontan inre belastning, "förklarade teammedlemmen Evgheni Strelcov från NIST och University of Maryland.
För närvarande, det är fortfarande okänt om ferroelasticitet är en egenskap som förbättrar eller hindrar prestanda och stabilitet för perovskitsolceller, noterade Centrone. Men det faktum att OIP har denna interna struktur, bryta upp enstaka kristaller till domäner, är viktigt att undersöka, han lade till. Gränser mellan kristaller-så kallade gränsöverskridande gränser-är kända för att vara svaga punkter, där strukturella defekter koncentreras. Liknande, gränserna mellan de nyupptäckta ferroelastiska domänerna inuti en enda kristall-gränser mellan korn-kan också påverka stabiliteten hos OIP:er och deras prestanda som solceller.
Forskarna upptäckte att genom att böja kristallerna, de kunde flytta på ett tillförlitligt sätt, skapa eller eliminera de ferroelastiska korngränserna - gränserna mellan indelade kristallregioner med olika orienteringar - vilket förstorar eller minskar storleken på varje domän. Böjningen förändrade också den relativa andelen domäner som pekade i olika riktningar. Forskarna beskrev nyligen sitt arbete i Science Advances.
Bild som tagits med den fototermiska inducerade resonanstekniken visar de nyupptäckta ferroelastiska domänerna (strimmor) inom de flesta kristaller. Skala visar PTIR -signalens intensitet, ett mått på det infraröda ljuset som absorberas av provet. Kredit:NIST
I deras studie, laget fann inga bevis för att OIP:erna var ferroelektriska; med andra ord, att de bildade domäner där separationen av mitten av positiva och negativa elektriska laddningar är inriktad i olika riktningar i frånvaro av ett externt elektriskt fält. Denna upptäckt är betydande, eftersom vissa forskare hade spekulerat i att ferroelektricitet kan vara den bakomliggande egenskapen som gör OIP:s lovande kandidater för solceller.
Forskarna skapade enkla hela kristaller som var tillräckligt stora för att avslöja ferroelastiska domäner, som framträdde som strimmor med ett optiskt mikroskop. De studerade också OIP som består av polykristallina tunna filmer, som undersöktes med hjälp av nanoskala -tekniker.
Forskarna använde två nanoskala metoder som använder atomkraftmikroskop (AFM) sonder för att mäta ferroelasticitet i OIP -tunna filmer. Vid University of Nebraska, Gruverman och hans medarbetare använde piezoresponse force microscopy (PFM), som kartlade det elektriskt inducerade mekaniska svaret för ett OIP -prov i vila och under mekanisk spänning genom att försiktigt böja provet.
Illustrationen visar att som svar på en applicerad stress, som böjning, gränserna för de ferroelastiska domänerna (röda och blå regioner visar domäner orienterade i olika riktningar) blir större eller mindre. Kredit:NIST
I den andra metoden, laserpulser som sträcker sig från det synliga till det infraröda området träffar en perovskit tunn film, orsakar att materialet värms upp och expanderar. Den lilla expansionen fångades och förstärktes av AFM -sonden med hjälp av fototermisk inducerad resonans (PTIR), en teknik som kombinerar upplösningen av en AFM med den exakta kompositionsinformation som tillhandahålls av infraröd spektroskopi. PTIR -avbildning avslöjade närvaron av mikroskopiska strimmor som kvarstod även när proverna utsattes för uppvärmning eller applicerad spänning. Experiment visade att avskalningarna inte var korrelerade med den lokala kemiska sammansättningen eller de optiska egenskaperna, men berodde på skillnader i termisk expansionskoefficient för ferroelastiska domäner.
