Geheimnis der leistungsstarken neuartigen Solarzellenmaterialien in verblüffender Klarheit gelüftet
Kombination einer Reihe neuer Mikroskopietechniken ergab, warum Perowskit-Materialien scheinbar so tolerant gegenüber Defekten in ihrer Struktur sind
Forscher der Universität Cambridge haben eine Reihe korrelativer, multimodaler Mikroskopiemethoden eingesetzt, um zum ersten Mal sichtbar zu machen, warum Perowskit-Materialien scheinbar so tolerant gegenüber Defekten in ihrer Struktur sind.
Künstlerische Darstellung von Elektronen, die in hochwertige Bereiche des Perowskit-Materials eindringen
Alex T. at Ella Maru Studios
Das am häufigsten verwendete Material für die Herstellung von Solarzellen ist kristallines Silizium. Um eine effiziente Energieumwandlung zu erreichen, ist jedoch ein energie- und zeitaufwändiger Produktionsprozess erforderlich, um die erforderliche hoch geordnete Waferstruktur herzustellen.
In den letzten zehn Jahren haben sich Perowskit-Materialien als vielversprechende Alternative erwiesen.
Die zu ihrer Herstellung verwendeten Bleisalze sind viel häufiger und billiger zu produzieren als kristallines Silizium, und sie können mit einer flüssigen Tinte hergestellt werden, die einfach gedruckt wird, um einen Film des Materials zu erzeugen. Sie weisen auch ein großes Potenzial für andere optoelektronische Anwendungen auf, wie energieeffiziente Leuchtdioden (LEDs) und Röntgendetektoren.
Die beeindruckende Leistung von Perowskiten ist überraschend. Das typische Modell für einen ausgezeichneten Halbleiter ist eine sehr geordnete Struktur, aber die Anordnung verschiedener chemischer Elemente, die in Perowskiten kombiniert sind, schafft eine viel "unordentlichere" Landschaft.
Diese Heterogenität verursacht Defekte im Material, die zu nanoskaligen "Fallen" führen, die die photovoltaische Leistung der Geräte verringern. Doch trotz dieser Defekte weisen Perowskit-Materialien Wirkungsgrade auf, die mit denen ihrer Silizium-Alternativen vergleichbar sind.
Frühere Forschungsarbeiten der Gruppe haben gezeigt, dass die ungeordnete Struktur die Leistung von optoelektronischen Perowskiten sogar erhöhen kann.
Durch die Kombination einer Reihe neuer Mikroskopietechniken präsentiert die Gruppe ein vollständiges Bild der chemischen, strukturellen und optoelektronischen Landschaft dieser Materialien im Nanomaßstab, das die komplexen Wechselwirkungen zwischen diesen konkurrierenden Faktoren offenbart und letztlich zeigt, wer die Oberhand gewinnt.
"Wir sehen, dass zwei Formen von Unordnung parallel auftreten", erklärt Doktorand Kyle Frohna, "die elektronische Unordnung im Zusammenhang mit den Defekten, die die Leistung verringern, und die räumliche chemische Unordnung, die sie zu verbessern scheint.
Wir haben herausgefunden, dass die chemische Störung - in diesem Fall die "gute" Störung - die "schlechte" Störung durch die Defekte abschwächt, indem sie die Ladungsträger von den Fallen wegleitet, in denen sie sonst stecken bleiben könnten.
In Zusammenarbeit mit dem Cavendish Laboratory in Cambridge, der Synchrotronanlage Diamond Light Source in Didcot und dem Okinawa Institute of Science and Technology in Japan untersuchten die Forscher dieselben Bereiche im Perowskitfilm mit verschiedenen mikroskopischen Techniken. Anschließend konnten sie die Ergebnisse all dieser Methoden miteinander vergleichen, um ein vollständiges Bild der Vorgänge im Nanomaßstab in diesen vielversprechenden neuen Materialien zu erhalten.
"Die Idee ist, dass wir etwas tun, das man multimodale Mikroskopie nennt. Das ist eine sehr ausgefallene Art zu sagen, dass wir denselben Bereich der Probe mit mehreren verschiedenen Mikroskopen betrachten und im Grunde versuchen, die Eigenschaften, die wir bei einem Mikroskop herausfinden, mit den Eigenschaften zu korrelieren, die wir bei einem anderen Mikroskop herausfinden", sagt Frohna. "Diese Experimente sind zeitaufwändig und ressourcenintensiv, aber die Informationen, die man damit gewinnen kann, sind hervorragend.
Die Ergebnisse werden es der Gruppe und anderen Fachleuten ermöglichen, die Herstellung von Perowskit-Solarzellen weiter zu verfeinern, um die Effizienz zu maximieren.
"Seit langem wird mit dem Begriff der Defekttoleranz um sich geworfen, aber dies ist das erste Mal, dass jemand das richtig visualisiert hat, um zu verstehen, was Defekttoleranz in diesen Materialien tatsächlich bedeutet.
"Da wir wissen, dass sich diese beiden konkurrierenden Störungen gegenseitig beeinflussen, können wir darüber nachdenken, wie wir die eine effektiv modulieren können, um die Auswirkungen der anderen auf die vorteilhafteste Weise abzuschwächen.
"Was die Neuartigkeit des experimentellen Ansatzes angeht, so haben wir eine korrelative multimodale Mikroskopie-Strategie verfolgt, aber nicht nur das, jede einzelne Technik ist für sich genommen bahnbrechend", sagt Miguel Anaya, Royal Academy of Engineering Research Fellow am Cambridge Department of Chemical Engineering and Biotechnology
"Wir haben visualisiert und begründet, warum wir diese Materialien als defekttolerant bezeichnen können. Diese Methodik ermöglicht neue Wege, um sie auf der Nanoskala zu optimieren, damit sie letztendlich für eine bestimmte Anwendung besser geeignet sind. Jetzt können wir uns andere Arten von Perowskiten ansehen, die nicht nur für Solarzellen, sondern auch für LEDs oder Detektoren geeignet sind, und deren Funktionsprinzipien verstehen.
"Noch wichtiger ist, dass die von uns in dieser Arbeit entwickelten Erfassungswerkzeuge auf die Untersuchung jedes anderen optoelektronischen Materials ausgedehnt werden können, was für die Materialwissenschaft im Allgemeinen von großem Interesse sein könnte.
"Durch diese Visualisierungen verstehen wir jetzt die Nanolandschaft in diesen faszinierenden Halbleitern viel besser - das Gute, das Schlechte und das Hässliche", sagt Sam Stranks, Universitätsassistenzprofessor für Energie am Department of Chemical Engineering and Biotechnology in Cambridge.
"Diese Ergebnisse erklären, wie die empirische Optimierung dieser Materialien durch das Feld diese Perowskite mit gemischter Zusammensetzung zu solch hohen Leistungen geführt hat. Sie haben aber auch Pläne für die Entwicklung neuer Halbleiter mit ähnlichen Eigenschaften aufgezeigt, bei denen die Unordnung genutzt werden kann, um die Leistung zu steigern.
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