Egy izgalmas új napelem alapanyag csoport, a szerves-szervetlen halogenid-perovszkitok egyszer még segíthetnek dekarbonizálni az elektromos hálózatot. A szilíciumnál ezerszer vékonyabb perovszkit napelemes anyagokat úgy lehet hangolni, hogy a napspektrum különböző színeire reagáljanak, egyszerűen az összetételük megváltoztatásával.
Az általában szerves molekulákból, például metilammóniumból és szervetlen fémhalogenidekből, például ólom-jodidból előállított hibrid perovszkit napelemes anyagok nagymértékben tolerálják a molekulaszerkezetükben lévő hibákat, és hatékonyabban nyelik el a látható fényt, mint a szilícium, a napenergia-ipar standardja.
Ezek a tulajdonságok összességében a perovszkitokat ígéretes aktív rétegekké teszik nemcsak a fotovoltikus (a fényt elektromossággá alakító) technológiákban, hanem fényre reagáló vagy fényt vezérlő elektronikus eszközökben is, beleértve a fénykibocsátó diódákat (LED-eket), detektorokat és lézereket.
"Bár a perovszkitok nagy lehetőséget kínálnak a napenergia jelentős bővítésére, még nem kerültek kereskedelmi forgalomba, mert megbízható szintézisük és hosszú távú stabilitásuk sokáig kihívást jelentett a tudósoknak. Most azonban elérhető közelségbe kerülhet a tökéletes perovszkitokhoz vezető út" - mondta Carolin Sutter-Fella, a Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) tudósa.
A Sutter-Fella által és kollégái által jegyzett tanulmány - amely a Nature Communications folyóiratban jelent meg - arról számol be, hogy a napelemes anyagok gyártását egy olyan kifinomult új műszer segítheti, amely kétféle fényt - láthatatlan röntgensugárzást és látható lézerfényt - használ a perovszkit anyag kristályszerkezetének és optikai tulajdonságainak vizsgálatára a szintézis során.
"Amikor a szakemberek napelemes vékonyrétegeket készítenek, általában van egy külön szintézislaboratóriumuk, és a jellemzéshez egy másik laboratóriumba kell menniük. A mi fejlesztésünkkel egy anyagot teljes mértékben szintetizálni és jellemezni lehet egyszerre, ugyanazon a helyen" - tette hozzá.
Ehhez a munkához Sutter-Fella összeállított egy kiváló nemzetközi, tudósokból és mérnökökből álló csapatot, hogy a Berkeley Lab Advanced Light Source (ALS) lézerrel hozzanak létre egy röntgensugaras sugárvonal végállomást. Az új műszer nagy intenzitású röntgenfénye lehetővé teszi a kutatók számára, hogy megvizsgálják a perovszkit anyag kristályszerkezetét és feltárják a gyors kémiai folyamatok részleteit. A készülékkel például jellemezhető, hogy mi történik abban a másodpercben, mielőtt és miután egy csepp szilárdítószer a folyékony prekurzoroldatot szilárd vékonyréteggé alakítja.
Ugyanakkor a lézer segítségével elektronokat és elektronlyukakat (elektromos töltéshordozókat) lehet létrehozni a perovszkit vékonyrétegben, így a tudósok megfigyelhetik a napelemes anyag fényre adott válaszát, akár késztermékként, akár az anyagszintézis közbenső szakaszaiban.
"A röntgensugárnyalábos végállomás lézerrel való létrehozása lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy ezeket a kiegészítő tulajdonságokat egyszerre vizsgálják" - magyarázta Sutter-Fella. Az egyidejű méréseknek ez a kombinációja egy automatizált munkafolyamat részévé válhat a perovszkitok és más funkcionális anyagok gyártásának valós idejű nyomon követése érdekében a folyamat és a minőségellenőrzés érdekében. A perovszkit filmeket általában spin coating eljárással állítják elő, ami egy megfizethető technika, amely nem igényel drága berendezéseket vagy bonyolult kémiai beállításokat.
A perovszkitok mellett szóló érvek pedig még fényesebbé válnak, ha figyelembe vesszük, hogy milyen energiaigényes csak a szilícium napelemes eszközök előállítása. A szilícium feldolgozási hőmérséklete ugyanis körülbelül 1500 Celsius fok. Ezzel szemben a perovszkitok szobahőmérsékletű oldatból kiindulva könnyen feldolgozhatók, mindössze 150 fokon.
A sugárvonal végállomása lehetővé teszi a kutatók számára, hogy megfigyeljék, mi történik a szintézis során, és különösen a spin coating első néhány másodperce alatt, amely egy kritikus időablak, amikor a prekurzoroldat lassan kezd vékony filmmé szilárdulni.
"A műszer lehetővé teszi a kutatók számára annak dokumentálását, hogy az általában magától értetődőnek tekintett apró dolgok milyen nagy hatással lehetnek az anyagok minőségére és teljesítményére" - mondta Shambhavi Pratap, a Müncheni Műszaki Egyetemen kutatója, a tanulmány első szerzője döntő szerepet játszott a műszer kifejlesztésében.
