Επιστήμονες με καινοτόμο τεχνική αποκαλύπτουν το κρυφό μονοπάτι σχηματισμού περοβσκίτη – ελπιδοφόρου υλικού για ηλιακά κύτταρα

Τα περοβσκιτικά ηλιακά κύτταρα, μια εναλλακτική πρόταση στα συμβατικά ηλιακά κύτταρα πυριτίου, είναι έτοιμα να εισέλθουν στην αγορά με τις υψηλές τους αποδόσεις μετατροπής ισχύος (πάνω από 22% τώρα) και τις χαμηλά κεφαλαιακές δαπάνες και κόστος κατασκευής. Μια από τις κύριες μεθόδους για την εναπόθεση περοβσκιτικών φιλμ σε δομές πάνελ είναι μια διαδικασία γνωστή ως αντίδραση διαδοχικής εναπόθεσης η οποία αναπτύχθηκε το 2013 από τον Michael Grätzel και τους συνεργάτες του στην EPFL .

Πολλές μελέτες έχουν προσπαθήσει να ελέγξουν τη διαδικασία αυτή με πρόσθετα, συνθετικές αλλαγές και επίδραση θερμοκρασίας. Ωστόσο, καμιά από αυτές δεν έχει αποφέρει μια πλήρη κατανόηση της όλης αντίδρασης διαδοχικής εναπόθεσης. Αυτό εμποδίζει τον επαρκή έλεγχο πάνω στην ποιότητα του φιλμ, η οποία καθορίζει την απόδοση του ηλιακού κυττάρου.

Τώρα, μια εργασία του Michael Grätzel και της Amita Ummadisingu στην EPFL, δίνει την πιο συστηματική και πλήρη μέχρι σήμερα μελέτη της αντίδρασης διαδοχικής εναπόθεσης. Οι επιστήμονες ξεκίνησαν με ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ και ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης να μελετούν σε βάθος την κρυσταλλοποίηση του ιωδιούχου μολύβδου (PbI2), που είναι το πρώτο στάδιο της αντίδρασης. Μετά χρησιμοποίησαν, για πρώτη φορά, την SEM-απεικόνιση καθοδοφωταύγειας για να μελετήσουν τη δυναμική του σχηματισμού του περοβσκιτικού φιλμ σε επίπεδο νανοκλίμακας.

«Έχουμε συνδυάσει δυο ισχυρά εργαλεία γα να αποκτήσουμε συνθετικές πληροφορίες σχετικά με την επιφάνεια του φιλμ κατά τη διάρκεια του σχηματισμού περοβσκίτη», αναφέρει η Ummadisingu. «Η τεχνική αυτή μας επιτρέπει να πετύχουμε εντυπωσιακή ανάλυση σε επίπεδο νανοκλίμακας που σημαίνει ότι, για πρώτη φορά, μπορέσαμε να δούμε ότι κατά τη διάρκεια της αντίδρασης σχηματίστηκαν μικτά κρυσταλλικά συσσωματώματα που συνίστανται από περοβσκίτη και ιωδιούχο μόλυβδο».

Απεικόνιση διατομής φωτοφωταύγειας μερικώς αντιδρώντος δείγματος. Η εκπομπή μεταξύ 500 και 550 nm που μπορεί να αποδοθεί στον ιωδιούχο μόλυβδο δείχνεται με πράσινο, ενώ η εκπομπή μεταξύ 700 και 800 nm που μπορεί να αποδοθεί στον περοβσκίτη δείχνεται με κόκκινο. (credit: M. Grätzel/EPFL)

Μετά, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν απεικόνιση διατομής φωτοφωταύγειας, που αποκάλυψε την κατεύθυνση της αντίδρασης μετατροπής. Αυτό το είδος της πληροφορίας ήταν μέχρι τώρα ανέφικτο με τις τυπικές απεικονίσεις επιφάνειας επειδή στρώματα που βρίσκονται κάτω το ένα από το άλλο είναι απρόσιτα. Όμως με τη βοήθεια των – τελευταίας λέξης της τεχνολογίας – υβριδικών, υψηλής ανάλυσης, ανιχνευτών φωτονίων, οι ερευνητές μπόρεσαν ταυτόχρονα να απεικονίσουν ιωδιούχο μόλυβδο και περοβσκίτες στην ίδια διατομή. «Προσδιορίσαμε παγιδευμένο, μη αντιδρώντα ιωδιούχο μόλυβδο μέσα στο περοβσκιτικό φιλμ χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνική, κάτι που είναι πάρα πολύ χρήσιμο», αναφέρει η Ummadisingu.

«Τα ευρήματά μας τελικά απαντούν σε διάφορα ανοιχτά ερωτήματα σχετικά με το θέση και το ρόλο του παραμένοντος ιωδιούχου μολύβδου σε περοβσκιτικά ηλιακά κύτταρα», λέει ο Michael Grätzel. «Σε μια ευρύτερη βάση, η καινοτόμα μας επίδειξη των χρήσεων αυτής της τεχνικής ανοίγει την πόρτα για την κατανόηση των ιδιοτήτων των περοβσκιτών σε κάθετες διατομές των ηλιακών κυττάρων, όχι μόνο στην περοβσκιτική επιφάνεια όπως στην βιβλιογραφία».

Στην μικρή εικόνα του κειμένου: Στην εικόνα σάρωσης ηλεκτρονικού μικροσκοπίου (SEM) φαίνεται η ανάπτυξη ενός κρυστάλλου ιωδιούχου μολύβδου (χρωματίζεται με κίτρινο) από μέρος άμορφου φιλμ ιωδιούχου μολύβδου.

Πηγή: EPFL

Περισσότερα στη δημοσίευση: Revealing the detailed path of sequential deposition for metal halide perovskite formation. Science Advances.