Forskare vid University of Cambridge som studerar perovskitmaterial för nästa generations solceller och flexibla lysdioder har upptäckt att de kan vara mer effektiva när deras kemiska kompositioner är mindre ordnade, väsentligt förenkla produktionsprocesser och sänka kostnaderna.

De överraskande fynden, publicerad i Nature Photonics , är resultatet av ett samarbetsprojekt, ledd av Dr Felix Deschler och Dr Sam Stranks.

Det mest använda materialet för att producera solpaneler är kristallint kisel, men för att uppnå effektiv energiomvandling krävs en dyr och tidskrävande produktionsprocess. Kiselmaterialet måste ha en mycket ordnad skivstruktur och är mycket känsligt för eventuella föroreningar, som damm, så måste göras i ett rent rum.

Under det senaste årtiondet, perovskitmaterial har framträtt som lovande alternativ.

Blysalterna som används för att göra dem är mycket rikligare och billigare att producera än kristallint kisel, och de kan beredas i flytande bläck som enkelt trycks för att producera en film av materialet.

Komponenterna som används för att göra perovskiten kan ändras för att ge materialen olika färger och strukturella egenskaper, till exempel att filmerna avger olika färger eller samlar solljus mer effektivt.

Du behöver bara en mycket tunn film av detta perovskitmaterial - cirka tusen gånger tunnare än ett människohår - för att uppnå liknande effektivitet som de kiselskivor som för närvarande används, öppnar möjligheten att införliva dem i fönster eller flexibel, ultralätta smartphone-skärmar.

"Detta är den nya klassen av halvledare som faktiskt kan revolutionera all denna teknik, "sa Sascha Feldmann, en doktorsexamen student vid Cambridge's Cavendish Laboratory.

"Dessa material visar mycket effektiva utsläpp när du exciterar dem med energikällor som ljus, eller sätt på en spänning för att köra en LED.

"Det här är verkligen användbart men det var fortfarande oklart varför dessa material som vi bearbetar i våra laboratorier så mycket mer grovt än dessa renrum, kiselskivor med hög renhet, presterar så bra. "

Forskare hade antagit att som med kiselmaterial, ju mer beställda de kunde göra materialen, desto effektivare skulle de vara. Men Feldmann och hennes medförfattare Stuart MacPherson blev förvånade över att finna det motsatta att vara sant.

"Upptäckten var verkligen en stor överraskning, "sa Deschler, som nu leder en Emmy-Noether forskargrupp vid TU München. "Vi gör mycket spektroskopi för att utforska arbetsmekanismerna för våra material, och undrade varför dessa riktigt kemiskt röriga filmer presterade så exceptionellt bra. "

"Det var fascinerande att se hur mycket ljus vi kunde få från dessa material i ett scenario där vi förväntade oss att de skulle vara ganska mörka, "sa MacPherson, en doktorsexamen student vid Cavendish Laboratory. "Vi kanske inte ska bli förvånade med tanke på att perovskiter har skrivit om regelboken om prestanda i närvaro av defekter och störningar."

Forskarna upptäckte att deras grova, flerkomponentlegerade preparat förbättrade faktiskt materialens effektivitet genom att skapa många områden med olika sammansättningar som kunde fånga de energiladdade bärarna, antingen från solljus i en solcell, eller en elektrisk ström i en LED.

"Det är faktiskt på grund av denna råa bearbetning och efterföljande avblandning av de kemiska komponenterna som du skapar dessa dalar och berg i energi som laddningar kan tratta ner och koncentrera sig i, "sa Feldmann." Detta gör dem lättare att extrahera för din solcell, och det är mer effektivt att producera ljus från dessa hotspots i en LED. "

Deras resultat kan ha en enorm inverkan på tillverkningens framgång för dessa material.

"Företag som vill göra större tillverkningslinjer för perovskiter har försökt lösa problemet med hur man gör filmerna mer homogena, men nu kan vi visa dem att faktiskt en enkel bläckstråleskrivare kan göra ett bättre jobb, sa Feldmann.

"Studiens skönhet ligger verkligen i den kontraintuitiva upptäckten att lätt att göra betyder inte att materialet kommer att bli sämre, men kan faktiskt bli bättre. "

"Det är nu en spännande utmaning att hitta tillverkningsförhållanden som skapar optimal störning i materialen för att uppnå maximal effektivitet, samtidigt som de strukturella egenskaperna som behövs för specifika applikationer bibehålls, "sa Deschler.

"Om vi ​​kan lära oss att kontrollera sjukdomen ännu mer exakt, vi kunde förvänta oss ytterligare förbättringar av LED- eller solcellsprestanda - och till och med skjuta långt bortom kisel med skräddarsydda tandemsolceller som består av två olika färgperovskitlager som tillsammans kan få ännu mer kraft från solen än ett skikt ensam, "sa Dr Sam Stranks, Universitetslektor i energi vid Cambridge Department of Chemical Engineering and Biotechnology och Cavendish Laboratory.

En annan begränsning av perovskitmaterial är deras känslighet för fukt, så grupperna undersöker också sätt att förbättra deras stabilitet.

"Det finns fortfarande arbete att göra för att de ska hålla på hustaken så som kisel kan - men jag är optimistisk, sa Stranks.