Dehnung beeinflusst die chemische Zusammensetzung in photovoltaischen Material
Eine einzigartige Kombination von Bildgebungswerkzeugen und Simulationen auf atomarer Ebene hat es einem Team unter der Leitung des Oak Ridge National Laboratory des Department of Energy ermöglicht, eine langjährige Debatte über die Eigenschaften eines vielversprechenden Materials zu lösen, das Energie aus Licht gewinnen kann.
Die Forscher nutzten multimodale Bildgebung, um nanoskalige Wechselwirkungen in einem dünnen Film aus hybridem organisch-anorganischem Perowskit, einem für Solarzellen geeigneten Material, zu "sehen". Sie stellten fest, dass das Material ferroelastisch ist, d.h. es kann Bereiche polarisierter Dehnung bilden, um die elastische Energie zu minimieren. Dieser Befund widersprach früheren Annahmen, dass das Material ferroelektrisch ist, d.h. es kann Bereiche polarisierter elektrischer Ladung bilden, um elektrische Energie zu minimieren.
"Wir haben festgestellt, dass Menschen durch das mechanische Signal bei elektromechanischen Standardmessungen irregeführt wurden, was zu einer Fehlinterpretation der Ferroelektrizität führte", sagte Yongtao Liu vom ORNL, dessen Beitrag zur Studie ein Schwerpunkt seiner Doktorarbeit an der University of Tennessee, Knoxville (UTK), wurde.
Olga Ovchinnikova, die die Experimente am ORNL Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS) leitete, fügte hinzu: "Wir haben multimodale chemische Bildgebung - Rastersondenmikroskopie in Kombination mit Massenspektrometrie und optischer Spektroskopie - verwendet, um zu zeigen, dass dieses Material ferroelastisch ist und wie die Ferroelastizität die chemische Trennung fördert".
Die Ergebnisse zeigten, dass Differentialstämme ionisierte Moleküle dazu veranlassen, innerhalb von Regionen der Folie zu wandern und sich zu trennen, was zu einer lokalen Chemie führt, die den Transport elektrischer Ladung beeinflussen kann.
Das Verständnis, dass diese einzigartige Suite von Bildgebungswerkzeugen es ermöglicht, Struktur und Funktion besser zu korrelieren und die energetischen Schichten für eine verbesserte Leistung zu optimieren.
"Wir wollen vorherzusagen, dass Körner in bestimmten Größen und Geometrien hergestellt werden", sagte Liu. "Die Geometrie wird die Dehnung kontrollieren, und die Dehnung wird die lokale Chemie kontrollieren."
Für ihr Experiment haben die Forscher einen dünnen Film durch Schleuderguss eines Perowskits auf ein mit Indiumzinnoxid beschichtetes Glassubstrat hergestellt. Dieser Prozess erzeugte die leitfähige, transparente Oberfläche, die eine Photovoltaikvorrichtung benötigen würde - aber auch die erzeugte Dehnung. Um die Dehnung zu entlasten, bildeten sich winzige ferroelastische Bereiche. Eine Art von Domäne waren "Körner", die aussehen, wie das, was man sehen könnte, wenn man über Ackerland fliegt, mit Flächen verschiedener Kulturen, die in Bezug zueinander verzerrt sind. Innerhalb der Körner bildeten sich Subdomänen, ähnlich wie Reihen von zwei Pflanzenarten, die sich in einem Stück Ackerland abwechseln. Diese benachbarten, aber gegenüberliegenden Reihen sind "Doppeldomänen" von getrennten Chemikalien.
Die Technik, mit der Wissenschaftler früher behaupteten, das Material sei ferroelektrisch, war die Piezoresponse-Kraftmikroskopie ("Piezo" bedeutet "Druck"), bei der die Spitze eines Atomkraftmikroskops (AFM) eine mechanische Verschiebung aufgrund seiner Kopplung mit der elektrischen Polarisation misst - nämlich eine elektromechanische Verschiebung. "Aber Sie messen nicht wirklich die wahre Verschiebung des Materials", warnte Ovchinnikova. "Sie messen die Auslenkung dieses ganzen Sprungbretts des Kragarms." Daher nutzten die Forscher eine neue Messtechnik, um die Cantilever-Dynamik von der Verschiebung des Materials aufgrund von Piezoresponse zu trennen - die Interferometric Displacement Sensor (IDS)-Option für das Cypher AFM, entwickelt von Co-Autor Roger Proksch, CEO von Oxford Instruments Asylum Research. Sie fanden heraus, dass die Antwort in diesem Material allein von der Cantilever-Dynamik stammt und keine echte Piezoresponse ist, was beweist, dass das Material nicht ferroelektrisch ist.
"Unsere Arbeit zeigt den Effekt, der aufgrund der ferroelektrischen Polarisation angenommen wird, kann durch chemische Trennung erklärt werden", sagte Liu.
Die vielfältigen Messungen der Mikroskopie und Spektroskopie der Studie lieferten experimentelle Daten zur Validierung von Simulationen auf atomarer Ebene. Die Simulationen liefern prädiktive Erkenntnisse, die zur Gestaltung zukünftiger Materialien genutzt werden können.
"Wir sind in der Lage, dies aufgrund der einzigartigen Umgebung bei CNMS zu tun, in der wir Charakterisierung, Theorie und Synthese unter einem Dach haben", sagte Ovchinnikova. "Wir haben nicht nur die Massenspektrometrie eingesetzt, weil sie Ihnen Informationen über die lokale Chemie liefert. Wir haben auch optische Spektroskopie und Simulationen verwendet, um die Orientierung der Moleküle zu untersuchen, was für das Verständnis dieser Materialien wichtig ist. Eine solche zusammenhängende chemische Bildgebung bei ORNL nutzt unsere funktionelle Bildgebung."
In einem dünnen Film aus einem Solarenergiematerial richten sich Moleküle in Zwillingsbereichen (modelliert in linken und rechten Feldern) in entgegengesetzter Richtung innerhalb der Korngrenzen aus (dargestellt durch Rasterelektronenmikroskopie im mittleren Feld). Die Dehnung kann die chemische Trennung verändern und kann zur Abstimmung der photovoltaischen Effizienz entwickelt werden.
Stephen Jesse/Oak Ridge National Laboratory, U.S. Dept. of Energy
Die Zusammenarbeit mit der Industrie ermöglicht es ORNL, über einzigartige Werkzeuge für Wissenschaftler zu verfügen, einschließlich derjenigen, die die Debatte über die wahre Natur des Lichtsammlungsmaterials entschieden haben. So wurde beispielsweise ein Gerät, das mit Hilfe der Helium-Ionen-Mikroskopie (HIM) Moleküle entfernt und ionisiert, mit einer sekundären Ionen-Massenspektroskopie (SIMS) gekoppelt, um Moleküle anhand ihres Gewichts zu identifizieren. Das HIM-SIMS-Instrument ZEISS ORION NanoFab wurde dem ORNL vom Entwickler ZEISS für den Beta-Test zur Verfügung gestellt und ist eines von nur zwei solchen Instrumenten weltweit. Ebenso wurde das IDS-Instrument von Asylum Research, ein Laser-Doppler-Vibrometer, auch dem ORNL für Beta-Tests zur Verfügung gestellt und ist das einzige, das es gibt.
"Die Forscher des Oak Ridge National Laboratory sind natürlich gut für die Zusammenarbeit mit der Industrie geeignet, weil sie über einzigartiges Fachwissen verfügen und in der Lage sind, die Werkzeuge zuerst so zu verwenden, wie es für sie bestimmt ist", sagte Proksch von Asylum. "ORNL verfügt über eine Einrichtung[CNMS], die Instrumente und Fachwissen für viele wissenschaftliche Anwender zur Verfügung stellt, die Werkzeuge auf verschiedene Probleme testen können und ein starkes Feedback während des Beta-Tests geben, da die Hersteller die Werkzeuge entwickeln und verbessern, in diesem Fall unser neues IDS metrologisches AFM."
Originalveröffentlichung
Yongtao Liu, Liam Collins, Roger Proksch, Songkil Kim, Brianna R. Watson, Benjamin Doughty, Tessa R. Calhoun, Mahshid Ahmadi, Anton V. Ievlev, Stephen Jesse, Scott T. Retterer, Alex Belianinov, Kai Xiao, Jingsong Huang, Bobby G. Sumpter, Sergei V. Kalinin, Bin Hu & Olga S. Ovchinnikova; "Chemical nature of ferroelastic twin domains in CH3NH3PbI3 perovskite"; Nature Materials; 2018
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