Используя рентгеновские лучи и лазеры, исследователи изучили, как новый многообещающий класс материалов солнечных элементов, называемый гибридными перовскитами, ведет себя на наноразмерном уровне во время работы. Их эксперименты показали, что при приложении напряжения ионы перемещаются внутри материала, создавая области, которые уже не так эффективны при преобразовании света в электричество.«Миграция ионов ухудшает характеристики светопоглощающего материала.
Ограничение ее может быть ключом к улучшению качества этих солнечных элементов», — сказал Дэвид Феннинг, профессор наноинженерии и член Центра устойчивой энергетики и энергетики Калифорнийского университета в Сан-Диего.В команду, возглавляемую Феннингом, входят исследователи из Института AMOLF в Нидерландах и Аргоннской национальной лаборатории.
Исследователи опубликовали свои выводы в Advanced Materials.Гибридные перовскиты — это кристаллические материалы, состоящие из смеси неорганических и органических ионов. Они являются многообещающими материалами для создания солнечных элементов следующего поколения, поскольку они недороги в производстве и значительно эффективны при преобразовании света в электричество.
Однако гибридные перовскиты не очень стабильны, что затрудняет их изучение. Микроскопические методы, обычно используемые для изучения солнечных элементов, часто приводят к повреждению гибридных перовскитов или невозможности изображения за пределами их поверхности.
Команда под руководством Калифорнийского университета в Сан-Диего показала, что, используя технику, называемую рентгеновской флуоресценцией нанозондов, они могут проникать глубоко в гибридные перовскитные материалы, не разрушая их. «Это новое окно, в котором можно заглянуть внутрь этих материалов и увидеть, что именно идет не так», — сказал Феннинг.Исследователи изучили гибридный перовскит, называемый бромидом свинца метиламмония, который содержит отрицательно заряженные ионы брома. Как и другие гибридные перовскиты, его кристаллическая структура содержит множество вакансий или недостающих атомов, которые, как предполагалось, позволяют ионам легко перемещаться внутри материала при приложении напряжения.Сначала исследователи провели измерения рентгеновской флуоресценции кристаллов с помощью нанозондов, чтобы создать карты атомов внутри материала с высоким разрешением.
Карты показали, что при приложении напряжения ионы брома мигрируют из отрицательно заряженных областей в положительно заряженные области.Затем исследователи направили лазер на кристаллы, чтобы измерить свойство, называемое фотолюминесценцией — способность материала излучать свет при возбуждении лазером — в различных областях кристаллов. Хороший материал солнечного элемента очень хорошо излучает свет, поэтому чем выше фотолюминесценция, тем более эффективным должен быть солнечный элемент.
Области с более высокими концентрациями брома имели на 180 процентов более высокую фотолюминесценцию, чем области, обедненные ионами брома.«Мы наблюдаем, как ионы брома мигрируют в течение нескольких минут, и видим, что полученные в результате области, богатые бромом, могут стать лучшими солнечными элементами, в то время как производительность ухудшается в областях, бедных бромом», — сказал Феннинг. Феннинг и его команда сейчас изучают способы ограничения миграции брома в бромиде свинца метиламмония и других гибридных перовскитах.
Исследователи говорят, что одним из возможных вариантов было бы выращивание кристаллов гибридного перовскита в различных условиях, чтобы минимизировать количество вакансий и ограничить миграцию ионов в кристаллической структуре.Эта работа была частично поддержана Инициативой Калифорнийского университета по углеродной нейтральности, фондами стартапов Калифорнийского университета в Сан-Диего, Фондом Хеллмана, Европейским исследовательским советом в рамках Седьмой рамочной программы Европейского союза и Министерством энергетики США, Управлением науки, фундаментальных энергетических наук. (номер награды DE-SC0012118). В этой работе использовались вычислительные ресурсы, предоставленные Triton Shared Computing Cluster (TSCC) в Калифорнийском университете в Сан-Диего, Национальным научным компьютерным центром энергетических исследований (NERSC) и Экстремальной наукой и инженерно-исследовательской средой (XSEDE) при поддержке Национального научного фонда (грант No.
ACI-1053575). Рентгеновские измерения были выполнены в Advanced Photon Source, учреждении для пользователей Управления науки Министерства энергетики США, которое эксплуатируется для Управления науки Министерства энергетики Аргоннской национальной лабораторией (номер контракта DE-AC02-06CH11357).