De groep van zogenaamde metaalhalogenide-perovskieten als materialen heeft de afgelopen jaren een revolutie teweeggebracht op het gebied van fotovoltaïsche energie. In het algemeen, metaalhalogenide perovskieten zijn kristallijne materialen die de structuur ABX . volgen ₃ , met wisselende samenstelling. Hier, EEN, B, en X kan een combinatie van verschillende organische en anorganische ionen voorstellen. Deze materialen hebben een aantal eigenschappen die ideaal zijn voor gebruik in zonnecellen en kunnen helpen bij het maken van opto-elektronische apparaten zoals lasers, lichtgevende dioden (LED's), of fotodetectoren veel efficiënter. Met betrekking tot de ontwikkeling van een hulpbronnen- en energie-efficiënte technologie, de relevantie van onderzoek naar deze materialen is zeer hoog.

De voordelige eigenschappen van metaalhalogenide-perovskieten zijn onder meer hun hoge lichtoogstcapaciteit en hun opmerkelijke vermogen om zonne-energie efficiënt om te zetten in elektrische energie. Een ander bijzonder kenmerk van deze materialen is dat zowel ladingsdragers als ionen daarin mobiel zijn. Hoewel transport van ladingsdragers een fundamenteel proces is dat nodig is voor de fotovoltaïsche werking van de zonnecel, iondefecten en ionentransport hebben vaak ongewenste gevolgen voor de prestaties van deze apparaten. Ondanks aanzienlijke vooruitgang op dit gebied van onderzoek, veel vragen over de fysica van ionen in perovskietmaterialen blijven open.

Op weg naar een beter begrip van deze structuren, de Technische Universiteiten van Chemnitz en Dresden hebben nu een grote stap voorwaarts gezet. In een gezamenlijk onderzoek door de onderzoeksgroepen rond Prof. Dr. Yana Vaynzof (Chair of Emerging Electronic Technologies at the Institute of Applied Physics and Centre for Advancing Electronics Dresden-cfaed, TU Dresden) en Prof. Dr. Carsten Deibel (Optica en fotonica van gecondenseerde materie, Chemnitz University of Technology) onder leiding van Chemnitz University of Technology, de twee teams ontdekten het landschap van ionische defecten in metaalhalogenideperovskieten. Ze waren in staat om essentiële eigenschappen te identificeren van de ionen waaruit deze materialen bestaan. De migratie van de ionen leidt tot de aanwezigheid van defecten in het materiaal, die een negatief effect hebben op de efficiëntie en stabiliteit van perovskiet-zonnecellen. De werkgroepen ontdekten dat de beweging van alle waargenomen ionen, ondanks hun verschillende eigenschappen (zoals positieve of negatieve lading), volgt een gemeenschappelijk transportmechanisme en maakt ook de toewijzing van defecten en ionen mogelijk. Dit staat bekend als de Meyer-Neldel-regel. De resultaten zijn gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Het ionische defectlandschap van perovskietmaterialen onderzoeken is geen eenvoudige taak, " zegt Sebastiaan Reichert, onderzoeksassistent bij de leerstoel Optics and Photonics of Condensed Matter aan de Chemnitz University of Technology en hoofdauteur van de publicatie. "We moesten uitgebreide spectroscopische karakterisering uitvoeren op perovskietmonsters waarin de defecten opzettelijk waren geïntroduceerd en hun type en dichtheid geleidelijk werden afgestemd. Daarom, de expertise van beide teams was van onschatbare waarde, " legt Reichert uit. Basis transportmechanismen verduidelijken

"Een van de belangrijkste resultaten van ons onderzoek is het ingewikkelde samenspel tussen de ionische en elektronische landschappen in perovskietmaterialen, " voegt prof. Vaynzof toe, "Door de dichtheid van de verschillende ionische defecten in perovskietmaterialen te veranderen, we zien dat het ingebouwde potentieel en de nullastspanning van de apparaten worden beïnvloed." Dit benadrukt dat defect-engineering een krachtig hulpmiddel is om de prestaties van perovskiet-zonnecellen te verbeteren die verder gaan dan de stand van de techniek.

Uit de gezamenlijke studie bleek ook dat alle ionische defecten voldoen aan de zogenaamde Meyer-Neldel-regel. "Dit is erg opwindend omdat het fundamentele informatie onthult over de springprocessen van ionen in perovskieten, " zegt prof. Deibel. "We hebben momenteel twee hypothesen over de oorsprong van deze waarneming en we zijn van plan deze in onze toekomstige studies te onderzoeken."