Om de efficiëntie van zonnecellen te verbeteren, zijn materialen nodig die vrij zijn van onzuiverheden en structurele defecten. Wetenschappers uit vele disciplines bij KAUST hebben aangetoond dat 2D organisch-anorganische hybride materialen veel minder defecten vertonen dan dikkere 3D-versies.

Moderne elektronica vertrouwt op technologieën die bijna perfecte siliciumkristallen kunnen ontwikkelen; onberispelijk tot op atomair niveau. Dit is cruciaal omdat defecten en onzuiverheden elektronen verstrooien terwijl ze stromen, wat de elektronische eigenschappen van het materiaal nadelig beïnvloedt.

Maar hybride perovskieten, een opwindende klasse van elektronisch materiaal, kan niet worden geconstrueerd met behulp van de epitaxiale of laagmethoden die voor silicium zijn ontwikkeld. In plaats daarvan, ze worden geproduceerd met behulp van oplossingsgerichte processen. Hoewel dit ze goedkoper maakt dan silicium, het maakt het ook veel moeilijker om zuiverheid te bereiken, omdat de populatie van defecten en soorten gevoelig zijn voor de verwerkingsomstandigheden.

Osman Bakr van het KAUST Solar Centre samen met collega's van meerdere divisies in KAUST en de Universiteit van Toronto, tonen aan dat tweedimensionale lagen van perovskietmateriaal een zuiverheidsniveau kunnen bereiken dat veel hoger is dan mogelijk is dan in hun 3D-tegenhanger. "Tweedimensionale hybride perovskieten zijn een subgroep van de grote hybride perovskietfamilie, " legt Wei Peng uit, hoofdauteur en promovendus van Bakr's lab. "Ze kunnen worden afgeleid door grote organische kationen in driedimensionale perovskietstructuren in te voegen."

Hybride perovskieten bestaan ​​uit lood- en halogenideatomen (zoals jodium) en een organische component. Deze klasse van materialen in zonnecellen heeft al een baanbrekend potentieel voor energieconversie-efficiëntie laten zien, terwijl ze lage productiekosten hebben en de mogelijkheid om te worden geïntegreerd in flexibele apparaten. Deze combinatie van kwaliteiten maakt hybride perovskieten tot een opwindend materiaal voor opto-elektronische toepassingen.

Peng, Bakr en collega's creëerden een 2D-materiaal gemaakt van periodieke lagen hybride perovskieten met een organische component van fenethylammonium of methylammonium. Met behulp van een oplossingsgerichte fabricagemethode, de lagen werden op een gouden elektrode geplaatst zodat het team de elektrische geleidbaarheid kon meten.

Hun metingen geven aan dat de 2D-materialen drie ordes van grootte minder defecten bevatten dan bulkhybride perovskieten. Het team stelt voor dat deze vermindering komt doordat de grote organische kationen in het fenethylammonium de vorming van defecten tijdens kristallisatie onderdrukken.

Volgende, het team demonstreerde het potentieel van hun materialen voor opto-elektronische toepassingen door fotogeleiders te bouwen met een hoge lichtdetectie. Deze resultaten voorspellen veel goeds voor verdere vooruitgang in het ontwerpen en optimaliseren van perovskiet-zonnecellen. "Een toekomstig diepgaand onderzoek naar hoe de vorming van defecten wordt onderdrukt, zal ons helpen bij het begrijpen en ten goede komen van de prestatiegerichte materiaaltechniek van apparaten, ' zegt Peng.