In de zoektocht naar efficiëntere zonnecellen en light-emitting diodes (LED's), een team van ingenieurs heeft verschillende soorten defecten in het halfgeleidermateriaal geanalyseerd waarmee dergelijke apparaten kunnen bepalen of en hoe ze de prestaties beïnvloeden.

Rohan Misra, assistent-professor werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis, leidde een wijdverbreid team van onderzoekers, waaronder de Washington University, aan het Oak Ridge National Laboratory in Tennessee en aan de Universiteit van Missouri-Columbia - dat de structuur en eigenschappen van de veelvoorkomende planaire defecten op atomaire schaal bestudeerde, die slechts enkele tienden van een nanometer omspant.

Mishra's team bestudeerde loodhalogenide perovskieten, een nieuwe klasse van hoogwaardige halfgeleiders die worden onderzocht voor de volgende generatie goedkope zonnecellen om zonne-energie met een hoog rendement om te zetten in elektriciteit.

Wanneer deze materialen zijn gemaakt, defecten kunnen optreden waar verschillende kristallen samenkomen, zogenaamde korrelgrenzen. In conventionele halfgeleiders, deze defecten kunnen hun elektrische geleidbaarheid en de efficiëntie van de omzetting van zonne-energie naar elektriciteit verminderen; echter, in loodhalogenide perovskieten, er zijn verschillende experimentele rapporten over de activiteit van korrelgrenzen. In sommige gevallen, ze zijn schadelijk bevonden, terwijl ze in andere gevallen geen invloed hebben op de prestaties of zelfs gunstig zijn. Maar, daten, niemand begreep waarom. Mishra's team legde uit waarom in Geavanceerde materialen , 3 december

"Een klein defect op atomaire schaal heeft een grote impact op de zonnecel, " zei Mishra. "Als een specifiek atoom ontbreekt aan deze korrelgrenzen, uw cel zal niet goed werken."

In het Oak Ridge National Lab, Arashdeep Singh Thind, een doctoraalstudent aan het Institute of Materials Science &Engineering van de Universiteit van Washington die in het laboratorium van Mishra werkt, voerde de beeldvorming uit met een van de krachtigste elektronenmicroscopen om naar de atomaire structuur van de korrelgrenzen te kijken. Guangfu Luo, een voormalig onderzoekswetenschapper in het laboratorium van Mishra die een assistent-professor is aan de Southern University of Science and Technology in Shenzen, China, gebruikte vervolgens kwantummechanische berekeningen uitgevoerd op enkele van de snelste supercomputers om de elektronische eigenschappen van deze korrelgrenzen te begrijpen.

In siliciumhalfgeleiders, korrelgrenzen verwoesten, maar in loodhalogenide perovskieten, zij misschien niet. En dat hangt af van de concentratie van de halogenide-ionen, een cruciaal element voor de eigenschappen.

"Als je de kristallen kweekt in een halide-arme omgeving, dan zijn de korrelgrenzen verschrikkelijk voor de prestaties, " zei Mishra. "Maar als je ze kunt laten groeien of ze kunt uitgloeien [verhit en recombineren] in een halide-rijke atmosfeer, de korrelgrenzen zijn prima."

Thind keek ook naar een ander type vlakke breuk die bekend staat als Ruddlesden-Popper-fouten, waarin de vlakken van kristallen verkeerd stapelen; bijvoorbeeld, in plaats van in nette rijen te worden opgesteld, een van de rijen is iets naar links of rechts verschoven door een atomaire kolom. Opnieuw, met behulp van kwantummechanische berekeningen, Luo en Mishra ontdekten dat door een grote dichtheid van dergelijke stapelfouten, het zou mogelijk kunnen zijn om heldere optische emissie te verkrijgen van grote en stabielere nanodeeltjes van bepaalde loodhalogenide-perovskieten, die mogelijk de weg vrijmaken voor LED's met een langere levensduur.

"De uitdaging voor experimentatoren is om stapelfouten op periodieke afstanden te construeren, ' zei Misra.

In gerelateerd onderzoek gepubliceerd in ACS Applied Nano Materials 16 oktober, Mishra's team werkte samen met onderzoekers van de Universiteit van Missouri-Columbia, die een nieuwe chemische route vonden voor het bevorderen van de groei van loodhalogenide perovskieten met een hoge dichtheid van dergelijke stapelfouten. Door oppervlakteliganden te verwijderen, een ion of molecuul dat bindt aan een oppervlakte-atoom van een nanokristal, kleinere loodhalogenide-perovskiet-nanokristallen versmolten en groeiden in 48 uur van ongeveer 8 nanometer tot 60 nanometer.

Deze nieuwe nanokristallen hadden aanzienlijk verbeterde optische eigenschappen vanwege de stapelfouten die tijdens het fusieproces werden gevormd, die Thind vond met behulp van scanning transmissie-elektronenmicroscopie met atomaire resolutie. In aanvulling, de nanokristallen waren stabieler bij blootstelling aan licht, had scherpere emissielijnen en een hogere kwantumopbrengst. Met deze gebreken de nieuwe nanokristallen zullen naar verwachting de lichtemissie-eigenschappen van de loodhalogenide perovskiet nanokristallen verbeteren, wat resulteert in betere LED's en andere opto-elektronische apparaten.

Deze nieuwe informatie geeft ingenieurs zoals Mishra en Thind meer informatie om alternatieven voor lood in zonnecellen te vinden, die niet alleen giftig lood bevatten, maar zijn ook onstabiel in het licht, vocht en warmte en breken binnen enkele dagen af, lekt lood in het grondwater. Mishra bestudeert of een niet-toxisch element - bismut, de buurman van lood op het periodiek systeem - is een veiliger en even efficiënt alternatief voor lood in perovskieten.