Jon-förskjutning och defektfysik i solcellsmaterial av metallhalid-perovskiter

Tidsperiod:

1 januari 2020 – 31 december 2023

Projektledare:

Tomas Edvinsson

Finansiär:

Vetenskapsrådet

Bidragstyp:

Projektbidrag

Budget:

3 040 000 SEK

Konventionella solcellsmaterial som till exempel kristallint kisel är idag mycket intressant för energiproduktion men lider av en lång energiåterbetalningstid där tillverkning ofta sker i länder med stor övervikt av kolbaserad energi för tillverkningen. För en hållbar tillverkning med en markant mindre energiåtgång är tunnfilmsmaterial lovande alternativ. År 2012 upptäcktes att det går att använda ett hybridmaterial som innehåller en organisk motjon som sitter i ett oorganisk kristallgitter i solceller med enbart fasta ämnen och hade mycket goda transportegenskaper både för elektronerna och hålen. Helt nyligen fick detta system ett nytt rekord i verkningsgrad på 23.7% (se forskningsbeskrivningen). Detta värde är högre än effektivitet som rapporterats för många redan etablerade solcellstekniker, såsom CdTe (22.1%) , CIGS (22.9%), och polykristallint Si (22.3%). Noterbart är att effektiviteten av hybridperovskitsolcellerna (HPSC) inte stabiliserats och, hittills, är det fortfarande osäkert om man kan uppnå långsiktig stabilitet hos HPSC. MAPbI3 är känslig för vattenexponering och höga temperaturer. Det finns å andra sidan en del uppmuntrande experimentella stabilitetsdata på HPSC: Flera grupper har rapporterat god stabilitet i 1000 timmar långa belysningstester (1000 W m-2 AM1.5G, en sol ), som uppnåtts genom att skräddarsy kontaktmaterialen snarare än perovskitmaterialen. Nya rön indikerar istället att blått ljus orsakar degradering av solcellsmaterialet och visar att några av de viktigaste forskningsinriktningar inom HPSC material är att öka förståelsen för processerna som funktion av våglängden på ljus, effekter av värme och förbättra stabiliteten genom rätt kontaktmaterial.De senaste årens forskning har visat att även andra egenskaper i exciterat tillstånd är viktigt för förståelsen av dessa system där man sett en gigantisk dielektrictetskonstant, fotoinducerad jonrörelse och effekter i det lokal elektriska fältet i materialen.  Högre effektivitet kan skräddarsys till viss utsträckning av flera katjoner i kaskader med ”trial-and-error” metoder men det är sannolikt att HPSC måste undersökas kritiskt med och utan de organiska motjonerna och även om höga verkningsgrader kan erhållas i bly-fria system. En grundläggande förståelse för processerna i de exciterade tillstånden, defekter skapade av höjd temperatur samt funktionsförhållandet och uppkomsten av de höga fotospänningen i HPSC och hur den kan behållas i bly-fria alternativ saknas emellertid fortfarande.  I detta projekt kommer vi att använda våra tidigare erfarenheter inom Stark- och Ramanspektroskopi under resonanta (exciterar materialet) och icke-resonanta tillstånd tillsammans med kvantmekanisk teori för att få en grundläggande förståelse för ljusinducerade lokala fält,  jonrörelse och hur avsaknaden av atomer ger defekter i materialen. Dessa fenomen har stor betydelse både för funktionen av systemet och villkoren för långsiktig stabilitet.Här är det också informativt att jämföra med intilliggande fält av organiska lysdioder (OLED) som visade mycket instabila material, särskilt för den blå ljuskällan bara för tio år sedan, men har nu nått marknaden där OLED-displayer med 15-20 års beräknad livstid i smartphones och stora TV apparater (55-65 "). Många HPSC-material är mycket mer stabila jämfört med de väldigt syrekänsliga OLED-materialen men behöver mer grundläggande vetenskapliga studier för att kunna hitta stabilitetskriterierna och de mest lämpliga gränsskikten under drift i exciterat tillstånd för att möjliggöra en applikation som solcellsmaterial för framtiden. Projektet kommer att studera perovskitmaterial i forskningsfronten både separat och i kombination med andra material, för att erhålla ny kunskap om processerna och fenomenen i hybridperovskitsystemet i sig samt vad som händer när man byter ut atomer på olika ställen i kristallstrukturen. Projektet kommer att ha tillgång till perovskitmaterial både från vårt samarbete inom Sverige men även från andra framståen