Projektanslag 2024

”From Atoms to Devices: Understanding Interface Phenomena for Better Perovskite Optoelectronics”

Huvudsökande: 
Docent Julia Wiktor

Medsökande:
Chalmers tekniska högskola
Paul Erhart 
Maths Karlsson

Linköpings universitet
Feng Gao

Lärosäte:
Chalmers tekniska högskola

Beviljat anslag: 
25 000 000 kronor under fem år

Halidperovskiter är en materialgrupp med en specifik kristallstruktur, som har revolutionerat forskningen inom optoelektronik och öppnat nya möjligheter i den globala energiomställningen. Materialen har förmåga att absorbera och avge ljus extremt effektivt, samtidigt som de är förhållandevis enkla att tillverka. Det gör dem särskilt intressanta för framtidens solceller och lysdioder, LED.

– Halidperovskiter är spännande material eftersom de är så oerhört bra på att ta upp solljus. Men samtidigt kan materialen bli instabila, och med tiden riskerar de att tappa de goda egenskaper som vi vill åt, säger Julia Wiktor, som har forskat på området i många år.

Energi försvinner i gränsskikten

Det är i gränsskiktet mellan halidperovskiterna och andra material, exempelvis solcellernas elektroder, som problem kan uppstå. Här riskerar en del av den energi som materialen har absorberat att gå förlorad, i stället för att den tillförs elnätet. Varför detta sker finns det inte mycket kunskap om, bland annat på grund av att gränsskikten är mycket svåra att studera.

Julia Wiktor leder ett nytt projekt, finansierat av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, som ska ta sig an denna utmaning med hjälp av fyra forskargrupper från Chalmers tekniska högskola och Linköpings universitet.  

– Vi behöver förstå precis vad som händer i gränsskikten, för att kunna rikta in oss på de processer som försämrar materialen och motverka dem. Men det är komplext att mäta och studera de här gränsskikten, eftersom de är täckta av omkringliggande material. För att lyckas krävs nya metoder och tekniker, något som vi ska ta fram i projektet, säger hon.

Vill stabilisera gränsskikten

En utmaning hos halidperovskiterna är att de kan förändras i gränsskikten mot andra material, vilket påverkar deras stabilitet och kapacitet. De här förändringarna, och mekanismerna bakom dem, vill forskarna kartlägga och förstå. En viktig tanke är att använda olika molekyler för att stabilisera gränsskikten.

– Kanske kan vi placera vissa kemiska molekyler i gränsskiktet, som binder till ytan och som därmed kan motverka förändringarna. Men vi behöver hitta de allra bästa molekylerna för att lyckas, vi kommer därför att prova olika vägar för att nå fram, säger hon.

I projektet använder forskarna både experiment och datamodellering för att granska de skadliga processer som sker vid gränssnitten, förstå deras underliggande mekanismer och utforska hur de kan förebyggas eller minskas. Men dagens tekniker fungerar inte så bra för att studera processerna i gränsskikten, eftersom de är täckta av omkringliggande material. Därför utvecklar forskarna nya, experimentella metoder som är inriktade på att granska just gränsskikten i detalj – från atomnivå hela vägen till enhetsnivå.

Projektet har två tydliga mål.

– Jag hoppas att vi verkligen ska förstå och kunna karakterisera de problem som uppstår i gränsskikten, som påverkar materialen negativt. Jag hoppas också att vi kan använda den kunskapen för att skapa ännu mer stabila perovskitmaterial som inte tappar sin absorptionsförmåga i gränsskikten – och att vi kan testa materialen i faktiska solcellsprototyper, säger hon.

Tydlig samhällsnytta en viktig drivkraft

Julia Wiktor hoppas att projektet ska ge viktiga bidrag till forskningen om halidperovskitmaterial, och öppna för fler tekniksprång inom området. Även om forskningen fokuserar på solceller och LED-ljus kan resultaten även få betydelse för exempelvis utvecklingen av sensorer, fotokatalys och neuromorfisk databehandling – teknik som fungerar som den mänskliga hjärnan.

Hon betonar att projektdeltagarna har precis rätt kompetens för de forskningsmål som är i sikte, och de avancerade beräkningsmodeller och experimentella metoder som ska utvecklas.

– Vi är ett starkt team inom alla områden som täcks in i projektet, och vi har ett väldigt fint samarbete, säger hon.

Att kunna medverka till den nödvändiga energiomställningen, i en värld där energikonsumtionen ökar alltmer, är en viktig drivkraft.

– Jag tycker om att arbeta med väldigt grundläggande forskningsfrågor. I mitt arbete löser jag ett pussel, och det motiverar mig varje dag. Men det känns också bra att forskningen har en så tydlig samhällsnytta. Hur vi skapar och använder energi är så oerhört viktiga frågor, och det är inspirerande att de möjliga tillämpningarna av min forskning finns så nära i sikte, säger hon.

Text Ulrika Ernström
Bild Johan Wingborg