Onderzoekers van de afdeling Materiaalwetenschappen, Lomonosov MSU, hebben vastgesteld hoe het veranderen van de verhouding van componenten die de lichtabsorberende laag van een perovskiet-zonnecel vormen, de structuur van de resulterende films en het batterijrendement beïnvloedt. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in de Journal of Physical Chemistry C .

Organisch-anorganische perovskieten zijn een nieuwe klasse van fotoactieve (d.w.z. reageren op licht) materialen. Ze zijn vernoemd naar het mineraal perovskiet (CaTiO ₃ , calciumtitanaat) vanwege structurele overeenkomsten, hoewel hun eigen veel interessanter is. Dergelijke materialen kunnen worden gebruikt om perovskiet-zonnebatterijen te maken, die pas vijf jaar geleden voor het eerst werden geïntroduceerd, maar hebben de efficiëntie van duurdere silicium zonne-elementen al overtroffen.

In hun eerdere onderzoek de auteurs hebben ontdekt dat draadvormige (draadachtige) hybriden van perovskieten hun vorm hebben gekregen door de structuur van intermediaire verbindingen, die worden gevormd tijdens het proces van perovskietkristallisatie. De onderzoekers hebben een hele groep van deze verbindingen ontdekt, elk daarvan is een kristallijn solvaat. De kristallijne solvaten zijn kristallijne verbindingen met moleculen van het oplosmiddel van de voorlopercomponenten ingebouwd in hun structuur. De opgeloste componenten slaan neer uit de oplossing en vormen een kristallijne film van perovskiet.

De onderzoekers selecteerden en beschreven drie intermediaire verbindingen die kristallijne solvaten zijn van een van de twee oplosmiddelen die het meest worden gebruikt bij het maken van perovskiet-zonnebatterijen. Voor twee van deze verbindingen geldt hun kristalstructuur werd voor het eerst vastgesteld.

"We hebben ontdekt dat de vorming van intermediaire verbindingen een van de belangrijkste factoren is die de functionele eigenschappen van de uiteindelijke perovskietlaag bepaalt, omdat perovskietkristallen de vorm van die verbindingen erven. Dit, beurtelings, beïnvloedt de filmmorfologie en de efficiëntie van de zonnecel. Het is vooral belangrijk bij het maken van dunne perovskietfilms, omdat de naaldachtige of draadvormige vorm van kristallen ertoe zal leiden dat de film discontinu is, wat het rendement van de zonnecel aanzienlijk zal verlagen. De kennis over de invloed van de verhouding van voorloperreagentia op de vorm van de uiteindelijke perovskietkristallen zal onderzoekers in staat stellen bewust de voorwaarden te kiezen voor het verkrijgen van optimale films, wat zal resulteren in perovskietcellen met een hoge efficiëntie, ", zegt hoofdonderzoeker Alexey Tarasov van de Lomonosov Moscow State University.

Dergelijke tussenverbindingen zijn onstabiel, daarom gebruikten de auteurs synchrotronstraling en lage temperaturen om de kristallen af ​​te koelen tot een temperatuur van -173 °C. Door de bevriezing konden de wetenschappers de ontbinding van de kristallen stoppen en de nodige metingen uitvoeren om de structuur van de solvaten te bepalen.

Aanvullend, de onderzoekers hebben de thermische stabiliteit van de verkregen verbindingen bestudeerd en zijn erin geslaagd om de energie van hun vorming te berekenen met behulp van kwantumchemische modellering. Het kennen van de vormingsenergie maakt het mogelijk om uit te leggen waarom bepaalde kristallen worden gevormd bij gebruik van verschillende oplosmiddelen.

De auteurs hebben ook geleerd dat de verhouding van reagentia in oplossing specifiek bepaalt welke tussenverbinding zich zal vormen tijdens het kristallisatieproces. De kristalstructuur van de tussenverbinding bepaalt de vorm van de gevormde perovskietkristallen, die de structuur van de lichtabsorberende laag bepaalt. Deze structuur, beurtelings, beïnvloedt de output van de gecreëerde zonnebatterij.