Een team van het Helmholtz-Zentrum Berlin is erin geslaagd dunne anorganische perovskietfilms te produceren bij gematigde temperaturen met behulp van co-verdamping - waardoor natemperen bij hoge temperaturen overbodig is. Het proces maakt het veel gemakkelijker om van dit materiaal dunnefilmzonnecellen te maken. In vergelijking met metaal-organische hybride perovskieten, anorganische perovskieten zijn thermisch stabieler. Het werk is gepubliceerd in Geavanceerde energiematerialen .

Teams over de hele wereld werken intensief aan de ontwikkeling van perovskiet-zonnecellen. De focus ligt op wat bekend staat als metaal-organische hybride perovskieten waarvan de kristalstructuur is samengesteld uit anorganische elementen zoals lood en jodium, evenals een organisch molecuul.

Volledig anorganische perovskiet-halfgeleiders zoals CsPbI ₃ hebben dezelfde kristalstructuur als hybride perovskieten, maar bevatten een alkalimetaal zoals cesium in plaats van een organisch molecuul. Dit maakt ze veel stabieler dan hybride perovskieten, maar vereist meestal een extra productiestap bij zeer hoge temperatuur - enkele honderden graden Celsius. Om deze reden, anorganische perovskiet-halfgeleiders zijn tot nu toe moeilijk te integreren in dunnefilmzonnecellen die niet bestand zijn tegen hoge temperaturen. Een team onder leiding van Dr. Thomas Unold is er nu in geslaagd om anorganische perovskiethalfgeleiders bij gematigde temperaturen te produceren, zodat ze in de toekomst ook in dunnefilmcellen kunnen worden gebruikt.

De natuurkundigen ontwierpen een innovatief experiment waarin ze vele combinaties van materiaal binnen een enkel monster synthetiseerden en analyseerden. Met behulp van co-verdamping van cesiumjodide en loodjodide, ze produceerden dunne lagen CsPbI ₃ , het systematisch variëren van de hoeveelheden van deze elementen, terwijl de substraattemperatuur lager was dan 60 graden Celsius.

"Een dergelijke combinatorische onderzoeksaanpak stelt ons in staat om veel sneller de optimale productieparameters voor nieuwe materiaalsystemen te vinden dan met de conventionele benadering, waarbij doorgaans 100 monsters moeten worden geproduceerd voor 100 verschillende samenstellingen", legt Unold uit. Door zorgvuldige analyse tijdens de synthese en de daaropvolgende metingen van de opto-elektronische eigenschappen, ze konden bepalen hoe de samenstelling van de dunne film de materiaaleigenschappen beïnvloedt.

Hun metingen tonen aan dat zowel de structurele als belangrijke opto-elektronische eigenschappen van het materiaal gevoelig zijn voor de verhouding tussen cesium en lood. Dus, overtollig cesium bevordert een stabiele perovskietfase met een goede mobiliteit en levensduur van de ladingsdragers.

In samenwerking met de HZB Young Investigator Group van prof.dr. Steve Albrecht, deze geoptimaliseerde CsPbI ₃ lagen werden gebruikt om perovskiet-zonnecellen te demonstreren met een initiële efficiëntie van meer dan 12 procent en stabiele prestaties van bijna 11 procent gedurende meer dan 1200 uur. "We hebben aangetoond dat anorganische perovskietabsorbers ook geschikt kunnen zijn voor gebruik in dunnefilmzonnecellen als ze adequaat kunnen worden vervaardigd. We denken dat er nog veel ruimte is voor verdere verbeteringen", zegt Unold.