Solceller gjorda med filmer som efterliknar strukturen hos mineralet perovskit är i fokus för global forskning. Men först nu har forskare vid Case Western Reserve University direkt visat att filmerna bär en nyckelegenskap som gör att de effektivt kan omvandla solljus till elektricitet.

Att identifiera detta attribut kan leda till effektivare solpaneler.

Elektroner som genereras när ljus träffar filmen är obegränsade av korngränser - kanterna på kristallina underenheter inom filmen - och färdas långa sträckor utan att försämras, forskarna visade. Det betyder att elektriska laddningsbärare som fastnar och förfaller i andra material istället är tillgängliga för att dras av som ström.

Forskarna mätte direkt den sträckta sträckan - som kallas diffusionslängd - för första gången med hjälp av tekniken som kallas "rumsscannad fotokurrant bildmikroskopi". Diffusionslängd inom en välorienterad perovskitfilm upp till 20 mikrometer.

Resultaten, publicerad i tidningen Nano bokstäver , indikerar att solceller kan göras tjockare utan att skada deras effektivitet, sa Xuan Gao, docent i fysik och författare till tidningen.

"En tjockare cell kan absorbera mer ljus, " han sa, "möjligen ger en bättre solcell."

Inbyggd effektivitet

Solkraftsforskare tror att perovskitfilmer håller stora löften. På mindre än fem år, filmer gjorda med den kristallina strukturen har överskridit 20 procents effektivitet för att omvandla solljus till elektricitet, ett märke som det tog decennier att nå med kiselbaserade solceller som används idag.

I denna forskning, Gaos laboratorium utförde rumsskannade fotoströmmande bildmätningar på filmer gjorda i laboratoriet hos Case Western Reserve kemiprofessor Clemens Burda.

Perovskitmineraler som finns i naturen är oxider av vissa metaller, men Burdas laboratorium gjorde organo-metalliska filmer med samma kristallina struktur med användning av metylammoniumlead tri-jodid (CH3NH3PBI3), en tredimensionell blyhalogenid omgiven av små organiska metylammoniummolekyler som håller ihop gitterstrukturen.

"Frågan har varit 'Hur är dessa solceller så effektiva? Om vi ​​skulle veta, vi kan ytterligare förbättra perovskit -solceller "sa Burda." Folk trodde att det kan bero på ovanligt lång elektrontransport, och vi mätte det direkt. "

Diffusionslängd är avståndet mellan en elektron eller dess motsats, kallade ett hål, går från generation till dess det rekombineras eller extraheras som elektrisk ström. Avståndet är detsamma som transportlängd när inget elektriskt fält (som vanligtvis ökar den sträckta sträckan) tillämpas.

Mätning av resor

Laboratorierna gjorde upprepade mätningar genom att fokusera en liten laserfläck på filmer på 8 millimeter kvadrat med 300 nanometer tjocka. Filmerna gjordes stabila genom beläggning av perovskiten med ett lager av polymerparylen.

Ljuset genererar elektroner och hål och fotoströmmen, eller ström av elektroner, registreras mellan elektroderna placerade cirka 120 mikron från varandra medan filmen avsöks längs två vinkelräta riktningar. Skanningen ger en tvådimensionell rumslig karta över bärardiffusion och transportegenskaper.

Mätningarna visade att diffusionslängden var i genomsnitt cirka 10 mikron. I vissa fall, längden nådde 20 mikron, som visar filmens funktionella yta är minst 20 mikron lång, sa forskarna.

I vissa material, spannmålsgränser minskar konduktiviteten, men bildbehandling visade att dessa gränssnitt mellan korn i filmen inte påverkade elektronresor. Gao och Burda säger att detta kan bero på att korn i filmen är väl inriktade, orsakar ingen impedans eller andra skadliga effekter på elektroner eller hål.

Burda och Gao söker nu federala medel för att använda mikroskopitekniken för att avgöra om olika kornstorlekar, orienteringar, halogenidperovskitkompositioner, filmtjocklekar och mer ändrar filmens egenskaper, för att ytterligare påskynda forskningen inom området.