Detaily článku

Tajemství vysoce výkonných nových materiálů pro solární články odhaleno v ohromující jasnosti

Výzkumníci z University of Cambridge použili sadu korelačních multimodálních mikroskopických metod, aby poprvé zviditelnili, proč jsou perovskitové materiály zdánlivě tak tolerantní k defektům ve své struktuře.

Nejčastěji používaným materiálem pro výrobu solárních panelů je krystalický křemík, ale k dosažení účinné přeměny energie je zapotřebí energeticky náročný a časově náročný výrobní proces k vytvoření požadované vysoce uspořádané struktury destiček.

V posledním desetiletí se jako slibná alternativa objevily perovskitové materiály.

Datum: 30.11.2021

perovskity, mikroskopie

Soli olova, které se k jejich výrobě používají, jsou mnohem hojnější a levnější než krystalický křemík a lze je připravit v tekutém inkoustu, který se jednoduše vytiskne a vytvoří se z něj film. Vykazují také velký potenciál pro další optoelektronické aplikace, jako jsou energeticky účinné světelné diody (LED) a rentgenové detektory.

Působivý výkon perovskitů je překvapivý. Typickým modelem vynikajícího polovodiče je velmi uspořádaná struktura, ale řada různých chemických prvků kombinovaných v perovskitech vytváří mnohem "chaotičtější" krajinu.

Tato heterogenita způsobuje v materiálu defekty, které vedou ke vzniku "pastí" v nanorozměrech, jež snižují fotovoltaický výkon zařízení. I přes přítomnost těchto defektů však perovskitové materiály stále vykazují účinnost srovnatelnou s jejich křemíkovými alternativami.

Dřívější výzkum skupiny ukázal, že neuspořádaná struktura může ve skutečnosti zvýšit výkon perovskitové optoelektroniky, a jejich nejnovější práce se snaží vysvětlit proč.

Kombinací řady nových mikroskopických technik skupina předkládá kompletní obraz chemického, strukturního a optoelektronického prostředí těchto materiálů v nanoměřítku, který odhaluje složité interakce mezi těmito konkurenčními faktory a nakonec ukazuje, který z nich má navrch.

"Vidíme, že paralelně probíhají dvě formy poruch," vysvětluje doktorand Kyle Frohna, "elektronické poruchy spojené s defekty, které snižují výkonnost, a pak prostorové chemické poruchy, které ji zřejmě zlepšují.

"A zjistili jsme, že chemický nepořádek - v tomto případě "dobrý" nepořádek - zmírňuje "špatný" nepořádek způsobený defekty tím, že odvádí nosiče náboje z těchto pastí, do kterých by jinak mohly uvíznout."

Ve spolupráci s Cavendishovou laboratoří v Cambridge, synchrotronovým zařízením Diamond Light Source v Didcotu a Okinawským institutem vědy a technologie v Japonsku vědci použili několik různých mikroskopických technik, aby se podívali na stejné oblasti v perovskitové vrstvě. Mohli tak porovnat výsledky všech těchto metod a předložit úplný obraz toho, co se v těchto nových slibných materiálech děje na úrovni nanorozměrů.

"Jde o to, že děláme něco, čemu se říká multimodální mikroskopie, což je velmi elegantní způsob, jak říci, že se díváme na stejnou oblast vzorku několika různými mikroskopy a v podstatě se snažíme korelovat vlastnosti, které získáme z jednoho, s vlastnostmi, které získáme z jiného," říká Frohna. "Tyto experimenty jsou časově a zdrojově náročné, ale odměna, kterou získáte, pokud jde o informace, které můžete získat, je vynikající."

Získané poznatky umožní skupině i dalším odborníkům v této oblasti dále zdokonalovat způsob výroby perovskitových solárních článků s cílem maximalizovat jejich účinnost.

"Již dlouhou dobu se hovoří o toleranci k defektům, ale je to poprvé, kdy se někdo pokusil o pořádnou vizualizaci, aby pochopil, co to vlastně znamená být tolerantní k defektům v těchto materiálech.

"Když víme, že se tyto dvě konkurenční poruchy vzájemně ovlivňují, můžeme přemýšlet o tom, jak jednu z nich účinně modulovat, abychom co nejpříznivěji zmírnili účinky té druhé."

"Pokud jde o novost experimentálního přístupu, postupovali jsme podle strategie korelační multimodální mikroskopie, ale nejen to, každá samostatná technika je sama o sobě špičková," říká Miguel Anaya, výzkumný pracovník Královské akademie inženýrství na katedře chemického inženýrství a biotechnologie v Cambridge

"Zviditelnili jsme a zdůvodnili, proč můžeme tyto materiály označit za defektotolerantní. Tato metodika umožňuje nové cesty k jejich optimalizaci v nanoměřítku, aby v konečném důsledku lépe fungovaly pro cílenou aplikaci. Nyní se můžeme podívat na další typy perovskitů, které jsou vhodné nejen pro solární články, ale také pro LED diody nebo detektory, a pochopit principy jejich fungování.

"Ještě důležitější je, že soubor akvizičních nástrojů, který jsme v této práci vyvinuli, lze rozšířit na studium jakéhokoli jiného optoelektronického materiálu, což může být velmi zajímavé pro širší komunitu materiálových věd."

"Díky těmto vizualizacím nyní mnohem lépe chápeme krajinu v nanorozměrech těchto fascinujících polovodičů - dobrou, špatnou i ošklivou," říká Sam Stranks, univerzitní docent pro energetiku na katedře chemického inženýrství a biotechnologie v Cambridge.

"Tyto výsledky vysvětlují, jak empirická optimalizace těchto materiálů oborem dovedla tyto perovskity se smíšeným složením k tak vysokým výkonům. Odhalily však také plány pro konstrukci nových polovodičů, které mohou mít podobné vlastnosti - kde lze využít neuspořádanosti k přizpůsobení výkonu."

Zdrojem informací je Chemeurope.
Kredit obrázku: Alex T. at Ella Maru Studios

Pro kompletní informace si přečtěte celý článek.