Forskare från University of Cambridge har använt en svit av korrelativa, multimodala mikroskopimetoder för att för första gången visualisera varför perovskitmaterial till synes är så toleranta mot defekter i sin struktur. Deras resultat publicerades idag i Nature Nanotechnology .

Det vanligaste materialet för att producera solpaneler är kristallint kisel, men för att uppnå effektiv energiomvandling krävs en energikrävande och tidskrävande produktionsprocess för att skapa den välordnade waferstrukturen som krävs.

Under det senaste decenniet har perovskitmaterial dykt upp som lovande alternativ.

Blysalterna som används för att göra dem är mycket rikligare och billigare att producera än kristallint kisel, och de kan framställas i flytande bläck som helt enkelt trycks för att producera en film av materialet. De visar också stor potential för andra optoelektroniska tillämpningar, såsom energieffektiva lysdioder (LED) och röntgendetektorer.

Perovskites imponerande prestanda är överraskande. Den typiska modellen för en utmärkt halvledare är en mycket ordnad struktur, men mängden olika kemiska element kombinerade i perovskiter skapar ett mycket "stökigare" landskap.

Denna heterogenitet orsakar defekter i materialet som leder till "fällor" i nanoskala, vilket minskar apparaternas fotovoltaiska prestanda. Men trots förekomsten av dessa defekter visar perovskitmaterial fortfarande effektivitetsnivåer som är jämförbara med deras kiselalternativ.

I själva verket har tidigare forskning av gruppen visat att den oordnade strukturen faktiskt kan öka prestandan hos perovskitoptoelektronik, och deras senaste arbete försöker förklara varför.

Genom att kombinera en rad nya mikroskopitekniker presenterar gruppen en komplett bild av det kemiska, strukturella och optoelektroniska landskapet i nanoskala för dessa material, som avslöjar de komplexa interaktionerna mellan dessa konkurrerande faktorer och i slutändan visar vilka som kommer ut överst.

"Vad vi ser är att vi har två former av störningar som händer parallellt", förklarar Ph.D. student Kyle Frohna, "den elektroniska störningen som är förknippad med defekterna som minskar prestanda, och sedan den rumsliga kemiska störningen som verkar förbättra den.

"Och vad vi har funnit är att den kemiska störningen - den "goda" störningen i det här fallet - mildrar den "dåliga" störningen från defekterna genom att leda bort laddningsbärarna från dessa fällor som de annars skulle kunna fastna i."

I samarbete med Cambridges Cavendish Laboratory, Diamond Light Source synkrotronanläggningen i Didcot och Okinawa Institute of Science and Technology i Japan använde forskarna flera olika mikroskopiska tekniker för att titta på samma regioner i perovskitfilmen. De kan sedan jämföra resultaten från alla dessa metoder för att ge en fullständig bild av vad som händer på nanoskalanivå i dessa lovande nya material.

"Tanken är att vi gör något som kallas multimodal mikroskopi, vilket är ett väldigt fint sätt att säga att vi tittar på samma område av provet med flera olika mikroskop och i princip försöker korrelera egenskaper som vi drar ur ett med egenskaperna vi drar. ur en annan, säger Frohna. "De här experimenten är tidskrävande och resurskrävande, men belöningarna du får i form av informationen du kan dra ut är utmärkta."

Resultaten kommer att göra det möjligt för gruppen och andra i fältet att ytterligare förfina hur perovskitsolceller tillverkas för att maximera effektiviteten.

"Länge har folk kastat om sig med termen defekttolerans, men det här är första gången som någon har visualiserat det ordentligt för att få koll på vad det faktiskt innebär att vara defekttolerant i dessa material.

"När vi vet att dessa två konkurrerande störningar spelar ut varandra kan vi fundera på hur vi effektivt modulerar den ena för att mildra effekterna av den andra på det mest fördelaktiga sättet."

"När det gäller det nya i det experimentella tillvägagångssättet har vi följt en korrelativ multimodal mikroskopistrategi, men inte bara det, varje fristående teknik är banbrytande i sig själv", säger Miguel Anaya, Royal Academy of Engineering Research Fellow vid Cambridges Department of Chemical Teknik och bioteknik

"Vi har visualiserat och gett skäl till varför vi kan kalla dessa material defekttoleranta. Denna metod gör det möjligt för nya vägar att optimera dem på nanoskala för att i slutändan prestera bättre för en riktad applikation. Nu kan vi titta på andra typer av perovskiter som är inte bara bra för solceller utan även för lysdioder eller detektorer och förstå deras funktionsprinciper.

"Ännu viktigare är att uppsättningen av förvärvsverktyg som vi har utvecklat i detta arbete kan utökas till att studera vilket annat optoelektroniskt material som helst, något som kan vara av stort intresse för det bredare materialvetenskapssamhället."

"Genom dessa visualiseringar förstår vi nu mycket bättre landskapet i nanoskala i dessa fascinerande halvledare – de goda, de dåliga och de fula", säger Sam Stranks, universitetsassistent i energi vid Cambridges avdelning för kemiteknik och bioteknik.

"Dessa resultat förklarar hur fältets empiriska optimering av dessa material har drivit dessa perovskiter med blandad sammansättning till så höga prestanda. Men de har också avslöjat ritningar för design av nya halvledare som kan ha liknande egenskaper - där störningar kan utnyttjas för att skräddarsy prestanda ." + Utforska vidare

Metallhalidperovskithalvledare kan konkurrera med kiselmotsvarigheter för solceller, lysdioder