Hårda Röntgenstrålar för snabba processer: en titt på elektroner i material för solceller

Projekttitel: Hårda Röntgenstrålar för snabba processer: en titt på elektroner i material för solceller
Huvudsökande: Andreas Lindblad, avdelningen för molekyl- och kondenserade materiens fysik
Beviljade medel: 3 200 000 SEK för perioden 2019-2022
Finansiär: Projektbidrag från Vetenskapsrådet

För att bygga en solcell behöver du, 1) material som absorberar solljus och separerar plusladdningar (”hål”) och minusladdningar (elektroner, e-) tillräckligt länge för att de ska nå 2) kontakter som leder ström som kan användas till något.

En bra solcell kan förbättras avsevärt om kontakterna på ena sidan bara leder elektroner och på andra sidan bara leder ”hål”. I det här projektet har vi tänkt att undersöka kombinationer av metallsulfider som kan skräddarsys för att passa det absorberande materialet. I en bra solcell så är det i princip nedförsbacke för e- åt ena hållet och nedförsbacke för hål åt andra hållet.

För att växa metallsulfider med rätt egenskaper vill vi göra det i vakuum med två steg: först genom att lägga ett metallager som är ett till två atomlager tjockt på ett absorberande material (processen som kallas ”sputtring”/kallkatodförstoffning), detta lager får reagera med svavel från en mycket precis källa som genererar precis så mycket svavel på ytan att en metall-disulfid (Me-S2) bildas. Sådana föreningar används också i t.ex. skruvsmörja eftersom de består av lager-på-lagerstrukturer där lagren kan glida lätt i förhållande till varandra. En kontakt kan sedan skapas genom att förånga eller sputtra på ytterligare en metall.

Vi skapar således ett skikt av material bestående av flera delar, innehållandes både ytor och gränsskikt – i detta landskap hoppas vi att t.ex. ”hål” ska ledas lätt medan elektroner blockeras. Landskapet som laddningen måste hoppa igenom kan vi studera genom att använda elektronspektroskopier: vi slår ut elektroner ur materialet och tittar på vilken energi som de har och får på så vis reda på vilken kemisk omgivning den hade när den blev utslängd.

Metoden är mycket ytkänslig och med standardutrustning kan vi bara se landskapet i de första atomlagren i ett material, sedan är det stopp: elektronerna får inte en tillräckligt stark knuff för att orka ut. En väg runt det här problemet är att använda en större knuff och det har vi tänkt göra för att studera materialen som nämndes ovan.

För att se landskapet som sätter gränserna för elektronhoppen i dessa material behöver vi den större knuffen helt enkelt. Vi kommer dessutom att använda röntgen från en synkrotron och där kan vi kontrollera knuffen (som kommer från ljuset) extremt noggrant och inte nog med det: om vi väljer precis rätt våglängd på ljuset så går det att träffa en resonans i atomerna som vi vill titta på, då åker inte elektronen som får en knuff ut direkt utan stannar i ett tillstånd med mycket högre energi än vanligt. Tänk att om en penna ligger på ett bord och du slår till det så att pennan hamnar på sin spets och balanserar så får pennan högre energi än sitt viloläge – oundvikligen så kommer pennan att falla ner. Elektronens tillstånd kommer också att finna ett lägre energitillstånd, detta genom att skicka ut samma elektron eller en annan.

Hursomhelst så tar endera processen med sig information om hur stor nedförsbacken är för en elektron i en solcell. Så med hårda röntgenstrålar kan vi ge rejäla knuffar och i ett synkrotronljuslaboratorium kan vi dessutom kontrollera knuffen och få elektronerna att bete sig i processer som tar med sig mer information ut ur systemet. Vi kan få information om tidsskalorna hos en elektron som hoppar ifrån en atom som ligger begravd flera atomlager under ytan på materialet.

Med sådan information så kan vi välja komponenterna i t.ex. en solcell så att gränsskikten gör elektronen till Usain Bolt istället för en motionärslöpare!

Forskningsprojektet vi föreslår här kommer att utnyttja resonanta varianter av elektronspektroskopier med hårda röntgenstrålar för att karakterisera begravda gränsskikt i sammansatta material som har stor potential att göra många typer av solceller mer långlivade och bättre i ett längre perspektiv.

Merparten av forskningen kommer att ske på ett synkrotronljuslaboratorium i Berlin, Tyskland där flera av metoderna jag berättat om ovan har utvecklats. Den typ av instrument som behövs för den föreslagna typen av studier finns på ett fåtal platser i Europa och erfarenheterna från detta projekt kommer att ge ett värdefullt tillskott i kunskapsbanken för svensk forskning, t.ex. om vi skulle vilja ha ett sådant instrument vid MAX IV-laboratoriet i Lund.

Materialen och materialsystemen som skall studeras kommer emellertid att produceras vid Uppsala universitet eller direkt på plats på experimentstationen.