Een eenvoudige en niet-invasieve behandeling zou een belangrijk post-kristallisatieproces kunnen worden om de opto-elektronische eigenschappen van hybride perovskiet-zonnecelmaterialen te optimaliseren.

In deze door KAUST bedachte behandeling, broomdampen dringen het oppervlak van gesynthetiseerde perovskietkristallen binnen om hun diepliggende lagen te bereiken, het verwijderen van oppervlakte- en bulkdefecten gegenereerd tijdens kristalgroei.

Loodhoudende hybride perovskieten, zoals methylammoniumloodtribromide (MAPbBr3), presenteren unieke ladingstransporteigenschappen en gemakkelijke verwerkbaarheid in oplossing. Dit maakt ze aantrekkelijk als potentiële goedkope alternatieven voor traditionele, op silicium gebaseerde, lichtoogstende zonnecelmaterialen. Echter, benaderingen die oplossingsverwerking gebruiken om ze te kristalliseren, hebben de neiging om verontreinigingen achter te laten, zoals zuurstof en amorfe koolstof. Deze benaderingen produceren ook halogenide-vacatures die leiden tot kationen, die elektronen kunnen vangen om metallisch lood te vormen en het ladingstransport te beperken.

Verschillende chemische behandelingen kunnen deze defecten verminderen, maar de meesten sleutelen aan de samenstelling van de voorloperoplossing om de dunne film- en kristalvorming te optimaliseren. Echter, de onderzoekers van het KAUST Solar Center zochten iets eenvoudigers.

"We waren geïnteresseerd in het ontwikkelen van een eenvoudig recept dat kan worden toegepast zodra de kristalvorming is voltooid, " zegt Ahmad Kirmani, nu een postdoc bij het National Renewable Energy Laboratory, ONS., die het onderzoek uitvoerde onder toezicht van Aram Amassian en Omar Mohammed.

Co-auteur Ahmed Mansour, nu een postdoc bij Helmholtz-Zentrum Berlin, Duitsland, beschrijft hoe de onderzoekers kozen voor een broomdampbehandeling omdat ze eerder de verbeterde geleidbaarheid van grafeen hadden waargenomen bij blootstelling aan broom. "Broom is een vluchtige vloeistof bij kamertemperatuur en verdampt gemakkelijk zonder de noodzaak van een externe energiebron, ' zegt Mansour.

De onderzoekers schorsten MAPbBr ₃ kristallen in een met broomdamp verzadigde omgeving en volgde de effecten van blootstelling aan broom op materiaaleigenschappen.

Ze waren aangenaam verrast toen ze ontdekten dat broomdampen metallisch lood op het oppervlak en in het grootste deel van de kristallen onderdrukten, zegt Mohammed. "Dit betekende dat we toegang hadden tot de bulkeigenschappen van deze kristallen, zoals hun elektrische geleidbaarheid, " voegt hij eraan toe. Langdurige blootstelling aan broom produceerde een dramatische 10, 000-voudige verbetering in bulk elektrische geleidbaarheid en een 50-voudige toename in mobiliteit van de vervoerder. Verdere beoordeling onthulde dat perovskietkristallisatie holtes en onvolkomenheden achterlaat, waardoor broom kan diffunderen en doordringen door de kristallen.

Elk van de voormalige teamleden onderzoekt momenteel meer toepassingen voor hun behandeling, zoals voor het verbeteren van de energieconversie-efficiëntie van zonnecellen die dunne perovskietfilms bevatten als absorbers of voor apparaten met één kristal, zoals transistors, fotodetectoren en stralingsdetectoren - die uitstekende draaggolfmobiliteit en intrinsieke opto-elektronische eigenschappen vereisen.