Termisk kvävning av luminiscens i organiska-oorganiska hybridperovskiter - Neutronspridningsstudier på effekten av organiska katjoners dynamik

Forskningsprojekt, 2022 – 2025

Behovet av nya energiomvandlare som är förnybara och energieffektiva är stort och ökande. Ett exempel på en sådan är en solcell, som omvandlar solljus till elektricitet. Solcellens så kallade verkningsgrad anger hur stor del av energin i solljuset som omvandlas till elektricitet. Dagens solceller är baserade på halvledarmaterialet kisel, som har en verkningsgrad kring 15%. För cirka sju år sedan upptäckte man dock en helt ny typ av solcellsmaterial, så kallade hybridperovskiter, vilka uppvisar en kristallstruktur bestående av en organisk molekyl omgiven av ett oorganiskt ramverk. Dessa material uppvisar (i labskala) en verkningsgrad kring 25%, vilket är högre än den högst uppmätta verkningsgraden för en kiselsolcell. Dessutom uppvisar hybridperovskiter luminiscerande egenskaper, vilket betyder att de kan omvandla ljus av en våglängd till en annan (längre) våglängd. Sådana ljusomvandlande material är högintressanta för produktion av vitt ljus, t.ex. genom att en blå lysdiod beläggs med en hybridperovskit som omvandlar en del av det blåa ljuset till gulaktigt ljus som tillsammans blir vitt ljus. I sammanhanget så gäller att ett bra solcellsmaterial måste också uppvisa luminiscens. Detta kan verka kontraintuitivt, men härstammar från att det i en solcell alltid blir lite energi över som inte omvandlas till elektricitet och det är då bättre om den försvinner ut som ljus än att den blir omvandlad till värme. Anledningen är att värme har en negativ inverkan på omvandlingen av ljus till elektricitet. Dessutom har värme en negativ inverkan på hybridperovskiternas luminiscerade förmåga. För att minimera sådana värmeförluster, och därigenom utveckla nya, bättre hybridperovskitmaterial för användande i solceller och/eller lysdioder så krävs en grundläggande förståelse kring dess ursprung. Trots en mängd forskning inom området så är den nuvarande förståelsen kring värmeförluster och dess underliggande fysikaliska orsaker i hybridperovskitmaterial dock klart begränsad. Flera färska forskningsstudier pekar på ett samband mellan värmeförluster och termiskt aktiverade rörelser hos de oorganiska molekylerna, men väldigt lite är känt vad gäller på vilket sätt molekylerna rör på sig. Sådan kunskap är inte bara av rent akademiskt intresse, utan är viktig för att utveckla designkriterier för nya hybridperovskiter med bättre egenskaper än de som finns tillgängliga idag. Det övergripande målet med det här föreslagna forskningsprogrammet är därför att öka förståelsen för på vilket sätt de organiska molekylerna rör på sig, och hur rörelserna beror på temperatur, kemisk sammansättning och kristallstruktur på prototypiska hybridperovskiter, samt på vilket sätt rörelserna påverkar materialens ljusomvandlande egenskaper (luminiscens). De primära verktygen för att nå detta ändamål innefattar användandet av avancerade neutronspridningstekniker, såsom oelastisk och kvasielastisk neutronspridning, samt olika optiska tekniker, vilka finns att tillgå vid Chalmers tekniska högskola och internationella forskningsanläggningar.Forskningsprojektet är avsett för perioden 2022-01-01 till 2025-12-31 och kommer att drivas av mig som är verksam vid Chalmers tekniska högskola. Kärnan av projektteamet innefattar också en ny doktorand, och samarbetspartners vid universitetet i Pavia, Italien, och vid neutronspridningsanläggningen ISIS i England. Resultaten kommer att spridas i form av vetenskapliga publikationer, populärvetenskapliga publikationer och i branschtidningar, och via nationella och internationella konferenser. Målgrupper är materialvetare, fysiker, kemister, och ingenjörer aktiva inom material för solceller och lysdioder, både inom akademi och näringsliv.