Hybride perovskieten zijn spectaculair efficiënte materialen voor fotovoltaïsche energie. Slechts een paar jaar nadat de eerste zonnecellen werden gefabriceerd, ze hebben al een zonneconversie-efficiëntie van meer dan 22 procent behaald. interessant, de fundamentele mechanismen die verantwoordelijk zijn voor deze hoge efficiëntie worden nog steeds heftig gedebatteerd.

Een grondig begrip van deze mechanismen is essentieel om verdere verbeteringen mogelijk te maken, en computationele studies uitgevoerd met behulp van het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) van het Lawrence Berkeley National Laboratory hebben kritische nieuwe inzichten opgeleverd. Chris Van de Walle's groep aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara (UCSB) heeft deze doorbraken gerapporteerd in twee recente papers:X. Zhang, J.-X. Shen, W. Wang, en C.G. Van de Walle, ACS Energy Lett . 3, 2329 (2018) en J.-X. Shen, X. Zhang, S. Das, E. Kioupakis, en C.G. Van de Walle, Adv. Energie Mater . 8, 1801027 (2018).

Hybride perovskieten zijn een groep materialen die organische moleculen combineren met een anorganisch raamwerk in een perovskietroosterstructuur. Een aantal onderzoeksgroepen schreven eerder de hoge efficiëntie van de hybride perovskieten toe aan een indirecte bandgap die voortkwam uit een sterke spin-baankoppeling. Er werd betoogd dat de indirecte aard van de spleet stralingsrecombinatie tussen elektronen en gaten onderdrukt en dus ongewenste recombinatie van dragers minimaliseert. UCSB-postdoc Xie Zhang en Ph.D. student Jimmy-Xuan Shen (die inmiddels is afgestudeerd) toonde aan dat dit niet klopt door een geavanceerde, eerste-principebenadering om de spintextuur van de bandranden nauwkeurig te bepalen en de stralingsrecombinatiesnelheden kwantitatief te berekenen. Voor methylammoniumloodjodide (het prototype hybride perovskiet dat gewoonlijk MAPI wordt genoemd) ontdekten ze dat de stralingsrecombinatie eigenlijk net zo sterk is als bij conventionele halfgeleiders met directe spleet.

"Dit resultaat zou een einde moeten maken aan misplaatste pogingen om apparaatkenmerken te analyseren en te ontwerpen op basis van onjuiste veronderstellingen over de recombinatiesnelheid, " zei Zhang.

Sterke stralingsrecombinatie betekent dat deze materialen ook bruikbaar zijn voor toepassingen met lichtemitterende diodes (LED). Echter, stroomdichtheden in LED's zijn veel hoger dan in zonnecellen, en bij hoge dragerconcentraties kunnen niet-stralingsrecombinatieprocessen schadelijk worden. Dergelijke niet-stralingsverliezen zijn waargenomen, maar experimenteel is het niet mogelijk om de microscopische oorsprong te identificeren. Shen en Zhang bouwden voort op expertise in de Van de Walle-groep om de recombinatiesnelheid nauwkeurig te berekenen op basis van de eerste principes. Ze slaagden er ook in om het tarief nauwkeurig te koppelen aan kenmerken in de elektronische structuur.

"Auger-recombinatie is een proces waarbij twee dragers recombineren over de bandgap en de overtollige energie wordt overgebracht naar een derde drager, " verklaarde Shen. "We ontdekten dat de Auger-coëfficiënt in MAPI onverwacht groot is:twee orden van grootte groter dan in andere halfgeleiders met vergelijkbare bandhiaten."

De onderzoekers identificeerden twee verschillende kenmerken van het materiaal die verantwoordelijk zijn:een resonantie tussen de band gap en de spin-baan-geïnduceerde splitsing van de geleidingsbanden, en de aanwezigheid van structurele vervormingen die het Auger-proces bevorderen.

"Deze berekeningen zijn extreem veeleisend, en de rekenkracht van NERSC heeft een belangrijke rol gespeeld bij het verkrijgen van deze resultaten, " merkte Van de Walle op. "We hebben kunnen aantonen dat Auger-verliezen kunnen worden onderdrukt als roostervervormingen worden verminderd, en we stellen specifieke benaderingen voor om dit in echte materialen te bereiken."