Stabiliteten hos ett mycket effektivt och billigt material för solceller har nu förbättrats med upp till två storleksordningar. Materialmanipulationerna som möjliggjorde denna förbättring utvecklades i ett projekt som stöddes av den österrikiska vetenskapsfonden FWF – och deras "hemlighet" publicerades nyligen i Nanobokstäver .

Blyhalogenidperovskiter är solcellsforskningens älskling:det kristallina materialet används för kostnadseffektiva tillverkningsprocesser och, överskrider tröskeln på 20 %, har redan uppnått enorma effektomvandlingseffektiviteter på jämförelsevis kort tid. Detta material har fortfarande en grundläggande nackdel, dock, och det är dess instabilitet. En ny upptäckt av en Erwin Schrödinger-stipendiat vid FWF, i samarbete med Aaron Fafarman och ett team av forskare från Drexel University i Philadelphia, USA, har nu visat att denna instabilitet kan reduceras avsevärt genom höga nivåer av dopning med kloridjoner.

Höga dopingnivåer

David Egger, som stöds av ett Schrödinger-stipendium och är baserad på Institutionen för material och gränssnitt vid Weizmann Institute of Science i Israel, tillsammans med sina kollegor upptäckt att vissa perovskiter kan hålla höga halter av kloridjoner (dopning) – och att detta förbättrar stabiliteten hos det funktionella materialet under vissa förhållanden med upp till två storleksordningar.

Egger utvecklar:"Vi undersökte cesium-bly-jodid perovskites. En fråga är stabiliteten i den funktionella fasen av detta material som intresserar oss för tillämpningar:under praktiskt relevanta förhållanden, en fasövergång inträffar och de utmärkta fotovoltaiska egenskaperna går förlorade nästan omedelbart."

Från tidigare experiment på perovskiter inklusive klorid istället för jodidjoner skulle man kunna spekulera i att dopning av materialet med klorid kan förbättra dess stabilitet. Dock, att uppnå detta i praktiken visade sig vara extremt svårt.

Egger och hans kollegor valde ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt för att undersöka om kloriddopning kunde ha en positiv effekt på stabiliteten hos cesiumbaserade perovskiter:"Vi använde atomistiska simuleringar för att visa att kloridjoner är mobila i perovskitkristallen, kan enkelt infogas i värdmaterialet, och att detta skulle förbättra den mekaniska stabiliteten. Våra kollegor designade ett experimentellt tillvägagångssätt för att införa klorid i perovskitmaterialet, som de uppnådde genom att använda en kemisk sintringsprocess", Egger förklarar det internationella samarbetet mellan Weizmann-institutet i Israel och forskare från Drexel University och University of Pennsylvania i USA.

Överraskande resultat

När man analyserar stabiliteten av cesium-bly-jodid-klorid, laget blev överraskade. Eftersom blyhalogenidperovskiter vanligtvis är särskilt instabila i kontakt med vatten, teamet övervakade materialstabiliteten hos de nya föreningarna vid olika fuktighetsnivåer. Vid en relativ luftfuktighet på 54 procent, halveringstiden för den funktionella fasen av det nya materialet var sex gånger längre än för kontrollprover utan klorid. Vid reducerade luftfuktighetsnivåer på elva procent, halveringstiden blev ännu längre. Egger kommenterar upptäckten:"Den förlängda halveringstiden för den funktionella perovskitfasen vid en relativ luftfuktighet på elva procent var sådan att vi inte längre kunde detektera en fasövergång av den kloriddopade perovskiten inom den maximala möjliga mättiden för vår enheter, vilket var 96 timmar. För den odopade perovskiten, dock, detta hände mycket snabbare, vilket indikerar att kloriddopning ökade halveringstiden med minst 2 storleksordningar." Forskarna kombinerade återigen sina resultat från experiment och teori för att visa att kloriddopningsnivåer över två procent i det nyskapade materialet inte är möjliga.

Den grundläggande insikten från Egger och hans kollegor, med stöd av Erwin Schrödinger Fellowship i FWF, kan nu användas i nya tillvägagångssätt för att utnyttja den enorma potentialen hos perovskitsolceller i ännu större kapacitet.