Wetenschappers hebben nieuwe inzichten gekregen in een fundamenteel mysterie over hybride perovskieten, goedkope materialen die conventionele zonnecellen van silicium zouden kunnen verbeteren of zelfs vervangen.

Onder een microscoop, een plakje perovskiet ziet eruit als een abstract mozaïek van willekeurige kristalkorrels. Het mysterie is hoe dit lappendeken van kleine, imperfecte korrels kunnen zonlicht even efficiënt omzetten in elektriciteit als een enkel kristal van puur silicium.

Een recent onderzoek door wetenschappers van Stanford University en het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy biedt nieuwe aanwijzingen. Schrijven in het nummer van 15 maart van Geavanceerde materialen , de wetenschappers bieden een nieuw begrip van hoe elektrische ladingen zich scheiden in perovskieten een paar miljardsten van een seconde na de absorptie van licht, de cruciale eerste stap bij het opwekken van een elektrische stroom.

De studie is de eerste die de innerlijke werking van hybride perovskieten op atomaire schaal onderzoekt met behulp van laserpulsen die overeenkomen met de intensiteit van zonnestraling, en zo natuurlijk zonlicht na te bootsen. De auteurs zeggen dat hun ontdekking zou kunnen leiden tot verbeteringen in de prestaties van perovskiet-zonnecellen en een nieuwe manier om hun functionaliteit te onderzoeken.

Perovskieten en silicium

De meeste zonnecellen zijn tegenwoordig gemaakt van gezuiverd silicium vervaardigd bij temperaturen boven 3, 000 graden Fahrenheit (1, 600 graden Celsius). Deze stijve siliconen panelen kunnen tientallen jaren mee in allerlei weersomstandigheden.

Perovskiet zonnecellen, hoewel veel minder duurzaam, zijn dunner en flexibeler dan siliciumcellen en kunnen bij kamertemperatuur worden geproduceerd uit een hybride mengsel van goedkope organische en anorganische materialen, zoals jodium, lood en methylammonium.

onderzoekers, waaronder Stanford co-auteur Michael McGehee, hebben aangetoond dat perovskiet-zonnecellen even efficiënt zijn in het omzetten van licht in elektriciteit als commercieel beschikbare siliciumcellen en zelfs beter kunnen presteren. Deze combinatie van efficiëntie, flexibiliteit en gemakkelijke synthese hebben geleid tot een wereldwijde race om perovskieten van commerciële kwaliteit te ontwikkelen die bestand zijn tegen langdurige blootstelling aan hitte en neerslag.

"Perovskieten zijn veelbelovende materialen voor fotovoltaïsche energie, " zei hoofdauteur Burak Guzelturk, een postdoctoraal onderzoeker aan Stanford en SLAC. "Maar mensen vragen zich af hoe ze zo'n hoge efficiëntie kunnen bereiken."

Elektronen en gaten

Alle zonnecellen werken volgens hetzelfde principe. Fotonen van zonlicht geabsorbeerd door het kristallijne materiaal schoppen negatief geladen elektronen in een aangeslagen toestand. De vrijgekomen elektronen laten positief geladen ruimtes of "gaten" achter die van elkaar scheiden. Deze scheiding geeft aanleiding tot een elektrische stroom.

Zuiver silicium, met zijn sterk geordende atomaire structuur, biedt een direct pad voor elektronen en gaten om door de zonnecel te reizen. Maar met perovskieten, de weg is verre van glad.

"Perovskieten zijn meestal gevuld met defecten, " zei co-auteur Aaron Lindenberg, een universitair hoofddocent bij SLAC en Stanford en onderzoeker bij het Stanford Institute of Materials and Energy Sciences (SIMES). "Ze zijn niet eens in de buurt van perfecte kristallen, maar op de een of andere manier zien de elektrische stromen de gebreken niet."

Terahertz-emissie

Voor de studie, het onderzoeksteam gebruikte laserpulsen om golven van zonlicht van beide uiteinden van het zichtbare lichtspectrum te simuleren - hoogenergetisch violet licht en laagenergetisch infrarood licht. De resultaten werden gemeten op de picoseconde tijdschaal. Een picoseconde is een biljoenste van een seconde.

"In de eerste picoseconden nadat zonlicht de perovskiet raakt, de elektronen en gaten in het kristalrooster beginnen te splitsen, Lindenberg legde uit. "De scheiding werd ontdekt door het meten van de emissie van hoogfrequente terahertz-lichtpulsen die een biljoen keer per seconde oscilleren vanuit de dunne film van perovskiet. Dit is de eerste keer dat iemand terahertz-emissie van hybride perovskieten heeft waargenomen."

De terahertz-emissie onthulde ook dat elektronen en gaten nauw interageren met roostertrillingen in het kristallijne materiaal. Deze interactie, die plaatsvindt op een femtoseconde tijdschaal, zou kunnen helpen verklaren hoe elektrische stromen navigeren door het lappendeken van kristalkorrels in hybride perovskieten.

"Als de elektrische ladingen scheiden, we zien een scherpe piek in de terahertz-emissie, overeenkomen met een trillingsmodus van het materiaal, "Zei Guzelturk. "Dat geeft ons duidelijk bewijs dat de elektronen en gaten sterk gekoppeld zijn aan de atomaire trillingen in het materiaal."

Deze bevinding verhoogt de mogelijkheid dat koppeling aan de roostertrilling de elektronen en gaten zou kunnen beschermen tegen geladen defecten in de perovskiet, afscherming van de elektrische stroom terwijl deze door de zonnecel gaat. Soortgelijke scenario's zijn voorgesteld door andere onderzoeksteams.

"Dit is een van de eerste waarnemingen van hoe de lokale atomaire structuur van een hybride perovskietmateriaal reageert in de eerste biljoensten van een seconde na het absorberen van zonlicht, Lindenberg zei. "Onze techniek zou een nieuwe manier kunnen openen om een ​​zonnecel te onderzoeken op het moment dat het foton wordt geabsorbeerd, wat erg belangrijk is als je betere materialen wilt begrijpen en bouwen. De conventionele manier is om elektroden op het apparaat te plaatsen en de stroom te meten, maar dat vervaagt in wezen alle microscopische processen die essentieel zijn. Onze volledig optische, elektrodeloze benadering met femtoseconde tijdresolutie vermijdt dat probleem."

Hete elektronen

De onderzoekers ontdekten ook dat terahertz-lichtvelden veel sterker zijn wanneer perovskiet wordt geraakt door hoogenergetische lichtgolven.

"We ontdekten dat uitgestraald terahertz-licht orden van grootte intenser is wanneer je de elektronen exciteert met violet licht versus laag-energetisch infrarood licht, "Zei Lindenberg. "Dat was een onverwacht resultaat."

Deze ontdekking zou nieuwe inzichten kunnen opleveren over hoogenergetische "hete" elektronen, zei Guzelturk.

"Violet licht geeft elektronen een overmaat aan kinetische energie, hete elektronen creëren die veel sneller bewegen dan andere elektronen, "zei hij. "Echter, deze hete elektronen verliezen hun overtollige energie zeer snel."

Het benutten van de energie van hete elektronen zou kunnen leiden tot een nieuwe generatie hoogrenderende zonnecellen, voegde Lindenberg eraan toe.

"Een van de grote uitdagingen is het vinden van een manier om de overtollige energie van een heet elektron op te vangen voordat het ontspant, " zei hij. "Het idee is dat als je de stroom geassocieerd met hete elektronen zou kunnen extraheren voordat de energie verdwijnt, je zou het rendement van de zonnecel kunnen verhogen. Mensen hebben beweerd dat het mogelijk is om hete elektronen te creëren in perovskieten die veel langer leven dan in silicium. Dat is een deel van de opwinding rond perovskieten."

De studie onthulde dat in hybride perovskieten, hete elektronen scheiden zich sneller en efficiënter uit gaten dan elektronen die worden opgewekt door infrarood licht.

"Voor het eerst kunnen we meten hoe snel deze scheiding optreedt, "Zei Lindenberg. "Dit zal belangrijke nieuwe informatie opleveren over het ontwerpen van zonnecellen die hete elektronen gebruiken."

Toxiciteit en stabiliteit

De mogelijkheid om terahertz-emissies te meten, zou ook kunnen leiden tot nieuw onderzoek naar niet-toxische alternatieven voor conventionele op lood gebaseerde perovskieten, zei Guzelturk.

"De meeste alternatieve materialen die worden overwogen, zijn niet zo efficiënt in het opwekken van elektriciteit als lood, " zei hij. "Onze bevindingen zouden ons in staat kunnen stellen te begrijpen waarom de samenstelling van lood zo goed werkt, terwijl andere materialen dat niet doen, en om de degradatie van deze apparaten te onderzoeken door rechtstreeks naar de atomaire structuur te kijken en hoe deze verandert."