Sommige materialen zijn als mensen. Laat ze even lekker in de zon liggen en ze presteren een stuk beter.

Een samenwerking onder leiding van Rice University en Los Alamos National Laboratory ontdekte dat dit het geval is met een perovskietverbinding die wordt aangeprezen als een efficiënt materiaal om zonlicht op te vangen en om te zetten in energie.

De onderzoekers onder leiding van Aditya Mohite, een stafwetenschapper bij Los Alamos die binnenkort professor wordt bij Rice; Wanyi Nie, ook een stafwetenschapper bij Los Alamos, en hoofdauteur en Rice afgestudeerde student Hsinhan (Dave) Tsai ontdekte dat constante verlichting de spanning in het kristalrooster van perovskiet ontspant, waardoor het uniform in alle richtingen kan uitzetten.

Uitbreiding lijnt de kristalvlakken van het materiaal uit en geneest defecten in de bulk. Dat op zijn beurt vermindert energetische barrières bij de contacten, waardoor het voor elektronen gemakkelijker wordt om door het systeem te bewegen en energie aan apparaten te leveren.

Dit verbetert niet alleen de efficiëntie van de stroomconversie van de zonnecel, maar doet ook geen afbreuk aan de fotostabiliteit, met verwaarloosbare degradatie over meer dan 1, 500 bedrijfsuren onder continue één-zonverlichting van 100 milliwatt per kubieke centimeter.

Het onderzoek, die deze week verschijnt in Wetenschap , vertegenwoordigt een belangrijke stap in de richting van stabiele op perovskiet gebaseerde zonnecellen voor de volgende generatie zonne-naar-elektriciteit en zonne-naar-brandstoftechnologieën, volgens de onderzoekers.

"Hybride perovskiet-kristalstructuren hebben een algemene formule van AMX3, waarbij A een kation is, M is een tweewaardig metaal en X is een halogenide, " zei Mohite. "Het is een polaire halfgeleider met een directe bandafstand vergelijkbaar met die van galliumarsenide.

"Dit geeft perovskieten een absorptiecoëfficiënt die bijna een orde van grootte groter is dan galliumarsenide (een gewone halfgeleider in zonnecellen) over het hele zonnespectrum, " zei hij. "Dit houdt in dat een 300 nanometer dikke film van perovskieten voldoende is om al het invallende zonlicht te absorberen. Daarentegen, silicium is een indirect bandgapmateriaal dat 1 nodig heeft 000 keer meer materiaal om dezelfde hoeveelheid zonlicht te absorberen."

Mohite zei dat onderzoekers lang hebben gezocht naar efficiënte hybride perovskieten die stabiel zijn in zonlicht en onder omgevingscondities.

"Door dit werk we hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het bereiken van beide doelstellingen, " zei hij. "Onze op drievoudige kationen gebaseerde perovskiet in een kubisch rooster vertoont uitstekende temperatuurstabiliteit bij meer dan 100 graden Celsius (212 graden Fahrenheit)."

De onderzoekers hebben meer dan 30 halfgeleidende, Op jodide gebaseerde dunne films met perovskiet-achtige structuren:kristallijne kubussen met atomen gerangschikt in regelmatige rijen en kolommen. Ze maten hun vermogen om stroom over te brengen en ontdekten dat wanneer ze doordrenkt waren met licht, de energetische barrière tussen de perovskiet en de elektroden verdween grotendeels toen de bindingen tussen atomen versoepelden.

Ze waren verrast om te zien dat de barrière 30 minuten lang gedoofd bleef nadat het licht was uitgedaan. Omdat de films tijdens de experimenten op een constante temperatuur werden gehouden, de onderzoekers konden ook warmte elimineren als mogelijke oorzaak van de roosteruitzetting.

Metingen toonden aan dat het "kampioen" hybride perovskiet-apparaat zijn stroomconversie-efficiëntie verhoogde van 18,5% naar 20,5 procent. Gemiddeld, alle cellen hadden een verhoogde efficiëntie van meer dan 19 procent. Mohite zei dat perovskieten die in het onderzoek werden gebruikt, 7 procent verwijderd waren van de maximaal mogelijke efficiëntie voor een zonnecel met één junctie.

Hij zei dat de efficiëntie van de cellen bijna het dubbele was van die van alle andere in oplossing verwerkte fotovoltaïsche technologieën en 5 procent lager dan die van commerciële op silicium gebaseerde fotovoltaïsche systemen. Ze behielden 85 procent van hun maximale efficiëntie na 800 uur continu gebruik op het maximale stroompunt, en hun stroomdichtheid vertoonde geen foto-geïnduceerde degradatie over de gehele 1, 500 uur.

"Dit werk zal het wetenschappelijke inzicht versnellen dat nodig is om perovskiet-zonnecellen te bereiken die stabiel zijn, " zei Mohite. "Het opent ook nieuwe richtingen voor het ontdekken van fasen en opkomend gedrag die voortkomen uit de dynamische structurele aard, of zachtheid, van het perovskietrooster."

De hoofdonderzoekers gaven aan dat het onderzoek verder gaat dan fotovoltaïsche energie omdat het verbinding maakt, Voor de eerste keer, door licht getriggerde structurele dynamiek met fundamentele elektronische transportprocessen. Ze verwachten dat dit zal leiden tot technologieën die gebruik maken van licht, kracht of andere externe triggers om de eigenschappen van op perovskiet gebaseerde materialen aan te passen.