Een team van onderzoekers onder leiding van de Universiteit van Californië in San Diego heeft voor het eerst veranderingen op nanoschaal waargenomen diep in hybride perovskietkristallen die nieuwe inzichten zouden kunnen bieden in het ontwikkelen van goedkope, hoog rendement zonnecellen.

Met behulp van röntgenstralen en lasers, onderzoekers bestudeerden hoe een nieuwe veelbelovende klasse van zonnecelmaterialen, hybride perovskieten genoemd, gedraagt ​​zich tijdens bedrijf op nanoschaalniveau. Hun experimenten onthulden dat wanneer spanning wordt toegepast, ionen migreren in het materiaal, het creëren van regio's die niet meer zo efficiënt zijn in het omzetten van licht in elektriciteit.

"Ionenmigratie schaadt de prestaties van het lichtabsorberende materiaal. Beperking ervan zou een sleutel kunnen zijn tot het verbeteren van de kwaliteit van deze zonnecellen, " zei David Fenning, een professor in nano-engineering en lid van het Sustainable Power and Energy Center van UC San Diego.

Het team, onder leiding van Fenning, omvat onderzoekers van het AMOLF Instituut in Nederland en Argonne National Laboratory. Onderzoekers publiceerden hun bevindingen in Geavanceerde materialen .

Hybride perovskieten zijn kristallijne materialen gemaakt van een mengsel van zowel anorganische als organische ionen. Het zijn veelbelovende materialen voor het maken van de volgende generatie zonnecellen, omdat ze goedkoop te produceren zijn en aanzienlijk efficiënt zijn in het omzetten van licht in elektriciteit.

Echter, hybride perovskieten zijn niet erg stabiel, waardoor ze moeilijk kunnen studeren. Microscopische technieken die doorgaans worden gebruikt om zonnecellen te bestuderen, leiden vaak tot schade aan de hybride perovskieten of kunnen niet buiten hun oppervlak worden weergegeven.

Nutsvoorzieningen, een door UC San Diego geleid team heeft aangetoond dat door gebruik te maken van een techniek genaamd nanoprobe X-ray fluorescentie, ze kunnen diep doordringen in hybride perovskietmaterialen zonder ze te vernietigen. "Dit is een nieuw venster om in deze materialen te kijken en precies te zien wat er mis gaat, ' zei Fenning.

De onderzoekers bestudeerden een soort hybride perovskiet genaamd methylammoniumloodbromide. die negatief geladen broomionen bevat. Net als andere hybride perovskieten, de kristallijne structuur bevat veel vacatures, of ontbrekende atomen, waarvan wordt vermoed dat ze ionen gemakkelijk in het materiaal laten bewegen wanneer een spanning wordt aangelegd.

De onderzoekers voerden eerst röntgenfluorescentiemetingen met nanosondes uit op de kristallen om kaarten met een hoge resolutie van de atomen in het materiaal te maken. De kaarten onthulden dat wanneer spanning wordt toegepast, de broomionen migreren van negatief geladen gebieden naar positief geladen gebieden.

Volgende, de onderzoekers schenen een laser op de kristallen om een ​​eigenschap te meten die fotoluminescentie wordt genoemd - het vermogen van het materiaal om licht uit te zenden wanneer het wordt geëxciteerd door een laser - in verschillende delen van de kristallen. Een goed zonnecelmateriaal straalt heel goed licht uit, dus hoe hoger de fotoluminescentie, hoe efficiënter de zonnecel moet zijn. De gebieden met hogere broomconcentraties hadden tot 180 procent hogere fotoluminescentie dan gebieden zonder broomionen.

"We zien hoe de broomionen binnen enkele minuten migreren en zien dat de resulterende broomrijke gebieden het potentieel hebben om betere zonnecellen te worden, terwijl de prestaties achteruitgaan in broomarme gebieden. " zei Fenning. Fenning en zijn team onderzoeken nu manieren om broommigratie in methylammoniumloodbromide en andere hybride perovskieten te beperken. Onderzoekers zeggen dat een mogelijke optie zou zijn om hybride perovskietkristallen onder verschillende omstandigheden te laten groeien om het aantal vacatures te minimaliseren en ionenmigratie te beperken in de kristalstructuur.