De ontwerpers van zonnecellen weten dat hun creaties te maken hebben met een breed scala aan temperaturen en allerlei weersomstandigheden - omstandigheden die hun efficiëntie en nuttige levensduur kunnen beïnvloeden.

Lea Nienhaus, universitair docent scheikunde en biochemie van de Florida State University, en voormalig FSU-postdoctoraal onderzoeker Sarah Wieghold helpen de fundamentele processen te begrijpen in een materiaal dat bekend staat als perovskieten, werk dat zou kunnen leiden tot efficiëntere zonnecellen die ook beter bestand zijn tegen degradatie. Ze ontdekten dat kleine aanpassingen aan de chemische samenstelling van de materialen en de grootte van het elektrische veld waaraan het wordt blootgesteld, grote invloed kunnen hebben op de algehele stabiliteit van het materiaal.

Hun laatste werk is gepubliceerd in een paar studies in Journal of Materials Chemistry C en Journal of Applied Physics.

Hun onderzoek is gericht op het verbeteren van het potentieel van perovskieten, een materiaal met een kristalstructuur op basis van positief geladen loodionen die bekend staan ​​als kationen en negatief geladen halogenide-anionen. In een kubische perovskiet kristalstructuur, de octaëders gevormd door de lood- en halogenide-ionen zijn omgeven door extra positief geladen kationen.

De eerste perovskiet-zonnecellen, die in 2006 zijn ontwikkeld, had een omzettingsrendement van zonne-energie van ongeveer 3 procent, maar cellen die in 2020 zijn ontwikkeld, hebben een stroomconversie-efficiëntie van meer dan 25 procent. Die snelle toename in efficiëntie maakt ze een veelbelovend materiaal voor verder onderzoek, maar ze hebben nadelen voor de commerciële levensvatbaarheid, zoals de neiging om snel te degraderen.

"Hoe kunnen we perovskieten stabieler maken onder reële omstandigheden waarin ze zullen worden gebruikt?" aldus Nienhaus. "Wat veroorzaakt de degradatie? Dat proberen we te begrijpen. Perovskieten die niet snel degraderen, kunnen een waardevol hulpmiddel zijn om meer energie uit zonnecellen te halen."

Perovskieten zijn een zogenaamd "zacht materiaal, " ondanks de ionische bindingen van het kristalrooster waaruit hun structuur bestaat. De halogeniden of kationen in het materiaal kunnen door dat rooster bewegen, die hun degradatiesnelheid kunnen verhogen, resulterend in een gebrek aan stabiliteit op lange termijn.

In de Journal of Materials Chemistry C papier, de onderzoekers onderzochten de gecombineerde invloed van licht en verhoogde temperatuur op de prestaties van mixed-cation mixed-halide perovskieten.

Ze ontdekten dat het toevoegen van een kleine hoeveelheid van het element cesium aan de perovskietfilm de stabiliteit van het materiaal onder licht en verhoogde temperaturen verhoogt. Rubidium toevoegen, anderzijds, leidde tot slechtere prestaties.

"We ontdekten dat, afhankelijk van de keuze van het kation, in deze materialen kunnen twee afbraakroutes worden waargenomen, die we vervolgens correleerden met een afname van de prestaties, zei Wieghold, nu een assistent-wetenschapper bij het Center for Nanoscale Materials en de Advanced Photon Source bij het Argonne National Laboratory. "We hebben ook aangetoond dat de toevoeging van cesium de filmstabiliteit verhoogde onder onze testomstandigheden, dat zijn veelbelovende resultaten."

Ze ontdekten ook dat een afname van de filmprestaties voor de minder stabiele perovskietmengsels gecorreleerd was met de vorming van de verbinding loodbromide/jodide en een toename van elektron-fonon-interacties. De vorming van loodbromide/jodide is te wijten aan het ongewenste afbraakmechanisme, die moet worden vermeden om de stabiliteit en prestaties op lange termijn van deze perovskiet-zonnecellen te bereiken.

In de Journal of Applied Physics paper, ze onderzochten het verband tussen spanning en de prestaties van perovskietmaterialen. Hieruit bleek dat de ionenbeweging in het materiaal de onderliggende elektrische respons verandert, wat een kritische factor zal zijn in de fotovoltaïsche prestaties.

"Perovskieten bieden een geweldige kans voor de toekomst van zonnecellen, en het is opwindend om deze wetenschap vooruit te helpen, ' zei Nienhaus.