Licht maakt sommige materialen op een voorheen onvoorziene manier geleidend. In silicium zonnecellen, elektronen stromen als de zon schijnt. Echter, wetenschappers van het in Stuttgart gevestigde Max Planck Institute for Solid State Research hebben nu een verrassing bedacht:in een speciale perovskiet, een ander materiaal dat wordt gebruikt voor zonnecellen, licht maakt niet alleen elektronen vrij, maar ook elektrisch geladen atomen, bekend als ionen. Bovendien, dit nieuwe foto-effect is extreem groot. De geleidbaarheid van ionen nam met een factor honderd toe. Voor zonnecellen gemaakt van het hier onderzochte materiaal geldt de hoge lichtgeïnduceerde ionengeleiding is nogal schadelijk; de gevolgen, echter, kan nu specifiek worden tegengegaan. Vanuit het oogpunt van de onderzoekers in Stuttgart, het effect is op zichzelf al baanbrekend, zoals het romans maakt, lichtgestuurde elektrochemische toepassingen denkbaar, zoals batterijen die direct door licht worden opgeladen.

Als het om efficiëntie gaat, silicium zonnecellen stellen normen. Maar vooral voor fotovoltaïsche elementen met een bijzonder hoog rendement, siliciumproductie is zowel complex als duur. Materialen die perovskieten worden genoemd, door hun structuur, zou hier een goedkoper alternatief kunnen bieden. Een team van wetenschappers onder leiding van Joachim Maier, Directeur bij het Max Planck Instituut voor Solid State Research, hebben nu onderzocht hoe licht het transport van elektriciteit in deze materialen beïnvloedt op basis van het perovskiet methylammonium loodjodide (MAPI). Hun interesse in deze materialen werd gewekt tijdens een samenwerking met Michael Grätzel, die onderzoek doet aan de École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) en extern wetenschappelijk lid is van het Max Planck Instituut in Stuttgart.

In hun experimenten, de onderzoekers zagen nu dat ionen, dat zijn geladen atomen, dragen in onverwacht hoge mate bij aan de geleidbaarheid wanneer het materiaal wordt belicht. In perovskiet zonnecellen, het effect kan leiden tot structurele veranderingen en afbreuk doen aan de efficiëntie. "Echter, onze bevindingen kunnen helpen om dergelijke verouderingsprocessen te voorkomen, " zegt Joachim Maier. Voor de chemicus, echter, het fenomeen als zodanig is vooral opwindend omdat het de fundamentele mogelijkheid creëert om mobiele ionen vrij te geven met behulp van licht, namelijk die ladingsdragers die elektriciteit transporteren in elektrochemische toepassingen zoals batterijen, brandstofcellen of elektrochemische sensoren en schakelaars.

Dat licht het ionentransport beïnvloedt, is alleen eerder in de biologie aangetoond:verlichting kan indirect de doorlaatbaarheid van een celmembraan veranderen. "Erg verrassend, echter, is het feit dat de ionengeleiding van kristallijne vaste stoffen direct kan worden gewijzigd en in hoeverre dit mogelijk is, ", zegt Joachim Maier. Zijn team observeerde hoe het aantal vrije jodide-ionen met een factor honderd toenam. Ionische geleiding wordt dus in dezelfde mate verhoogd als bekend is voor door licht geïnduceerde elektronische geleidbaarheid.

De onderzoekers in Stuttgart hebben het fenomeen niet alleen experimenteel aangetoond. Ze kunnen het ook uitleggen. Volgens hen, het licht geeft in eerste instantie elektronen af, zoals gebruikelijk bij zonnecellen. De negatief geladen elektronen laten positief geladen gaten in het kristalrooster achter, zoals natuurkundigen zouden zeggen. Deze neutraliseren anders negatief geladen jodide-ionen in het kristal. Omdat een ongeladen jodiumatoom veel kleiner is dan een jodide-ion, het bezet een zogenaamde interstitiële ruimte, dat is, een vrije ruimte in het kristalrooster waarin het grotere jodide-ion niet past. De resulterende gaten in het kristalrooster maken ionengeleiding mogelijk op vrijwel dezelfde manier als elektronengaten elektronengeleiding mogelijk maken. "Cruciaal voor dit effect is dat er een mechanisme is dat de door licht gecreëerde gaten direct omzet in ionische geleidbaarheid, ’ zegt Joachim Maier.

De onderzoekers gebruikten verschillende methoden om het effect zonder enige twijfel aan te tonen. In een eerste experiment, ze gebruikten elektrische contacten voor MAPI die ionen blokkeerden, dat is, ze lieten alleen de elektronen door. Ze gebruikten een specifieke stroom en maten de spanning. Als ionen betrokken zijn bij de stroom, de spanning zou na korte tijd moeten toenemen, omdat ze in eerste instantie alleen kunnen bewegen, maar worden dan geblokkeerd door de contacten. Dit was precies wat de onderzoekers in Stuttgart opmerkten.

Duidelijk bewijs van ionengeleiding werd ook geleverd door de spanning gemeten in een open circuit, die werd gegenereerd door de onderzoekers met behulp van de perovskiet als de elektrolytfase van een verlichte batterijcel:als elektronen in het materiaal voornamelijk stroom transporteerden, een kortsluiting zou optreden, en er zou geen spanning worden geproduceerd. Echter, met behulp van een ionisch geleidend materiaal als elektrolyt, de verwachte accuspanning kan worden gemeten.

De onderzoekers toonden in nog twee experimenten direct jodiumtransport aan. Ze stelden één kant van de perovskiet bloot aan gasvormig jodium. Ze bevestigden een koperen film aan de andere kant, die fungeert als een zogenaamde jodiumput vanwege zijn neiging om te reageren om koperjodide te vormen. Onder verlichting, dit proces verliep met zeer hoge snelheid. Transport van het jodium in het perovskietmonster werd ook aangetoond door een experiment waarbij tolueen fungeerde als een buitenste gootsteen voor het element. De onderzoekers toonden spectroscopisch aan dat de jodiumconcentratie in de tolueen toenam zodra de perovskiet belicht werd.

Het door de wetenschappers in Stuttgart waargenomen mechanisme is omkeerbaar, benadrukt Maier. Het vernietigt het materiaal niet. Alleen wanneer het perovskietmateriaal in contact komt met een stof die jodium permanent bindt, of wanneer jodium in de atmosfeer ontsnapt, degradeert het materiaal na verloop van tijd.

In de nabije toekomst, de onderzoekers hebben niet de intentie om tevreden te zijn met het begrijpen van de mechanismen van degradatie en het uiteindelijk voorkomen ervan. Wat is belangrijker, volgens Joachim Maier, is om het effect zelf te onderzoeken, omdat het een noviteit is in het onderzoek in vaste stoffen. "We zullen andere materialen onderzoeken om te zien of soortgelijke verschijnselen optreden, ", zegt Joachim Maier. De onderzoekers richten zich ook op de vraag hoe dit effect technisch kan worden geëxploiteerd. Om dit te doen, zij zullen eerst ideeën ontwikkelen, zoals het gebruik van door licht gestimuleerde opslag, en zoek vervolgens naar geschikte materialen voor dergelijke toepassingen. "Ionische geleidbaarheid vertegenwoordigt een sleutelfenomeen in een context van energieonderzoek, ", zegt Joachim Maier. "Maar in veel opzichten - vooral als het gaat om blootstelling aan licht - blijft het terra incognita." De Max Planck-onderzoekers in Stuttgart willen daar verandering in brengen.