วัสดุที่ใช้กันมากที่สุดในการผลิตแผงโซลาร์เซลล์คือซิลิกอนผลึก แต่เพื่อให้เกิดการแปลงพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ ต้องใช้กระบวนการผลิตที่ใช้พลังงานมากและสิ้นเปลืองเวลาเพื่อสร้างโครงสร้างเวเฟอร์ที่ได้รับคำสั่งสูงซึ่งจำเป็น

ในทศวรรษที่ผ่านมา วัสดุ perovskite ได้กลายเป็นทางเลือกที่น่าสนใจ

เกลือตะกั่วที่ใช้ในการผลิตนั้นมีมากมายและราคาถูกกว่าในการผลิตมากกว่าผลึกซิลิกอน และสามารถเตรียมได้ในหมึกเหลวที่พิมพ์ง่ายๆ เพื่อผลิตฟิล์มของวัสดุ นอกจากนี้ยังแสดงศักยภาพที่ยอดเยี่ยมสำหรับการใช้งานออปโตอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ เช่น ไดโอดเปล่งแสง (LED) ที่ประหยัดพลังงาน และเครื่องตรวจจับเอ็กซ์เรย์

ประสิทธิภาพที่น่าประทับใจของ perovskites นั้นน่าประหลาดใจ โมเดลทั่วไปสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ที่ยอดเยี่ยมคือโครงสร้างที่เป็นระเบียบมาก แต่องค์ประกอบทางเคมีต่างๆ ที่รวมกันใน perovskites จะสร้างภูมิทัศน์ที่ "ยุ่งเหยิง" ขึ้นมาก

ความแตกต่างนี้ทำให้เกิดข้อบกพร่องในวัสดุที่นำไปสู่ ​​"กับดัก" ระดับนาโน ซึ่งลดประสิทธิภาพของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ของอุปกรณ์ แต่ถึงแม้จะมีข้อบกพร่องเหล่านี้ แต่วัสดุ perovskite ยังคงแสดงระดับประสิทธิภาพที่เทียบได้กับทางเลือกซิลิกอน

ในความเป็นจริง การวิจัยก่อนหน้านี้โดยกลุ่มได้แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างที่ไม่เป็นระเบียบสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของออปโตอิเล็กทรอนิกส์ของ perovskite และงานล่าสุดของพวกเขาพยายามที่จะอธิบายว่าทำไม

เมื่อรวมเทคนิคการใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใหม่เข้าด้วยกัน กลุ่มได้นำเสนอภาพที่สมบูรณ์ของภูมิทัศน์เคมีระดับนาโน โครงสร้าง และออปโตอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุเหล่านี้ ซึ่งเผยให้เห็นปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนระหว่างปัจจัยที่แข่งขันกันเหล่านี้ และสุดท้ายแสดงให้เห็นซึ่งปรากฏอยู่ด้านบน

"สิ่งที่เราเห็นคือการที่เรามีความผิดปกติสองรูปแบบที่เกิดขึ้นพร้อมกัน" นักศึกษาระดับปริญญาเอก Kyle Frohna อธิบาย "ความผิดปกติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่เกี่ยวข้องกับข้อบกพร่องที่ลดประสิทธิภาพการทำงาน และความผิดปกติทางเคมีเชิงพื้นที่ที่ดูเหมือนว่าจะปรับปรุงได้

"และสิ่งที่เราพบก็คือความผิดปกติทางเคมี -- ความผิดปกติที่ "ดี" ในกรณีนี้ - บรรเทาความผิดปกติที่ "เลวร้าย" จากข้อบกพร่องโดยการเคลื่อนตัวพาประจุไฟฟ้าให้ห่างจากกับดักเหล่านี้ซึ่งพวกมันอาจเข้าไปได้ "

ในความร่วมมือกับ Cavendish Laboratory ของเคมบริดจ์ สิ่งอำนวยความสะดวกของ Diamond Light Source synchrotron ใน Didcot และ Okinawa Institute of Science and Technology ในญี่ปุ่น นักวิจัยได้ใช้เทคนิคด้วยกล้องจุลทรรศน์หลายแบบเพื่อดูบริเวณเดียวกันในภาพยนตร์ perovskite จากนั้นพวกเขาสามารถเปรียบเทียบผลลัพธ์จากวิธีการทั้งหมดเหล่านี้เพื่อนำเสนอภาพรวมของสิ่งที่เกิดขึ้นในระดับนาโนในวัสดุใหม่ที่มีแนวโน้มเหล่านี้

"แนวคิดคือ เราทำบางสิ่งที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์หลายรูปแบบ ซึ่งเป็นวิธีที่แฟนซีมากในการบอกว่าเราดูที่พื้นที่เดียวกันของตัวอย่างด้วยกล้องจุลทรรศน์หลายตัว และโดยพื้นฐานแล้วพยายามเชื่อมโยงคุณสมบัติที่เราดึงออกมาจากหนึ่งเดียวกับคุณสมบัติที่เราดึงออกมา จากอีกอันหนึ่ง” Frohna กล่าว "การทดลองเหล่านี้ใช้เวลานานและใช้ทรัพยากรมาก แต่รางวัลที่คุณได้รับในแง่ของข้อมูลที่คุณสามารถดึงออกมานั้นยอดเยี่ยมมาก"

การค้นพบนี้จะช่วยให้กลุ่มและคนอื่นๆ ในสาขานี้ปรับแต่งวิธีการสร้างเซลล์แสงอาทิตย์แบบเพรอฟสไกต์เพิ่มเติมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุด

"เป็นเวลานานแล้ว ที่ผู้คนเลิกใช้คำว่า "ความทนทานต่อข้อบกพร่อง" แต่นี่เป็นครั้งแรกที่ใครๆ ก็มองเห็นภาพได้อย่างเหมาะสมเพื่อทำความเข้าใจความหมายของความทนทานต่อข้อบกพร่องในวัสดุเหล่านี้

"เมื่อรู้ว่าความผิดปกติที่แข่งขันกันทั้งสองนี้กำลังเล่นกันเอง เราสามารถคิดเกี่ยวกับวิธีการที่เราปรับเปลี่ยนอย่างมีประสิทธิภาพเพื่อลดผลกระทบของอีกฝ่ายในลักษณะที่เป็นประโยชน์มากที่สุด"

Miguel Anaya, Royal Academy of Engineering Research Fellow จาก Cambridge"s Department of Chemical กล่าวว่า "ในแง่ของความแปลกใหม่ของแนวทางการทดลอง วิศวกรรมและเทคโนโลยีชีวภาพ

"เราได้เห็นภาพและให้เหตุผลว่าทำไมเราถึงสามารถเรียกวัสดุเหล่านี้ว่าทนต่อข้อบกพร่อง วิธีการนี้ช่วยให้เส้นทางใหม่สามารถปรับให้เหมาะสมที่ระดับนาโนเพื่อให้ทำงานได้ดีขึ้นสำหรับแอพพลิเคชันที่เป็นเป้าหมายในท้ายที่สุด ตอนนี้ เราสามารถดูที่ perovskites ประเภทอื่นๆ ที่ ไม่เพียงแต่ดีสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์แต่ยังสำหรับ LED หรือเครื่องตรวจจับและเข้าใจหลักการทำงานของพวกเขา

"ที่สำคัญกว่านั้นคือ ชุดเครื่องมือในการได้มาซึ่งเราได้พัฒนาในงานนี้ สามารถขยายเพื่อศึกษาวัสดุออปโตอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ซึ่งเป็นสิ่งที่อาจเป็นที่สนใจของชุมชนวัสดุศาสตร์ในวงกว้าง"

Sam Stranks ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านพลังงานแห่งภาควิชาวิศวกรรมเคมีและเทคโนโลยีชีวภาพของเคมบริดจ์กล่าวว่า "ด้วยการสร้างภาพข้อมูลเหล่านี้ ตอนนี้เราเข้าใจภูมิทัศน์ระดับนาโนในเซมิคอนดักเตอร์ที่น่าสนใจเหล่านี้ได้ดีขึ้นมาก ทั้งด้านดี ด้านร้าย และด้านอัปลักษณ์"

"ผลลัพธ์เหล่านี้อธิบายว่าการเพิ่มประสิทธิภาพเชิงประจักษ์ของวัสดุเหล่านี้โดยภาคสนามได้ขับเคลื่อน perovskites แบบผสมเหล่านี้ให้มีประสิทธิภาพสูงได้อย่างไร แต่ก็ได้เปิดเผยพิมพ์เขียวสำหรับการออกแบบเซมิคอนดักเตอร์ใหม่ที่อาจมีลักษณะคล้ายคลึงกันซึ่งความผิดปกติสามารถใช้ประโยชน์ได้เพื่อปรับแต่ง ประสิทธิภาพ."บาคาร่า สมัครบาคาร่า