Consumenten wereldwijd vragen om groenere energiebronnen; daarom, het optimaliseren van de prestaties en economische levensvatbaarheid van zonnecellen is een belangrijk onderzoeksfocus. Het verbeteren van de efficiëntie van perovskiet-zonnecellen was een bijzondere prioriteit; echter, er is minder nadruk gelegd op het begrijpen waardoor de celprestaties verslechteren. Nutsvoorzieningen, recente bevindingen van onderzoekers van de Universiteit van Tsukuba bieden een microscopisch onderzoek van perovskiet-zonnecellen om de kenniskloof te dichten.

Organisch-anorganische hybride perovskieten zijn aantrekkelijke materialen voor gebruik in zonnecellen omdat ze gemakkelijk en goedkoop te bereiden zijn en licht absorberen over een breed scala aan golflengten. Zonnecellen die perovskietlagen als fotoactief materiaal gebruiken, worden voortdurend verbeterd, met een bijzondere focus op hun stroomconversie-efficiëntie (PCE), die nu meer dan 25% kan bedragen.

Echter, alleen focussen op het verbeteren van PCE's kan ertoe leiden dat onderzoekers de belangrijke stappen voorwaarts missen die zouden kunnen voortvloeien uit een meer gedetailleerd begrip van de onderliggende mechanismen. Bijvoorbeeld, de vraag waardoor de prestaties van perovskiet-zonnecellen verslechteren, is een belangrijke vraag die niet volledig is beantwoord.

Van externe factoren zoals zuurstof en vocht in de lucht is bekend dat ze perovskietlagen aantasten. Echter, de interne veranderingen die de prestaties van cellen beïnvloeden, worden niet zo goed begrepen. De onderzoekers hebben daarom het achteruitgangsmechanisme onderzocht met behulp van elektronenspinresonantie (ESR) spectroscopie.

"We hebben ESR-spectroscopie uitgevoerd op perovskiet-zonnecellen terwijl ze in gebruik waren, die ons een realtime beeld gaf van de veranderingen op moleculair niveau, " studie corresponderende auteur professor Kazuhiro Marumoto legt uit. "Specifiek, wij hebben de kosten en gebreken geconstateerd, en gerelateerde spintoestanden, in de zonnecellagen terwijl de stroom-spanningskarakteristieken van de zonnecellen werden gemeten. Hierdoor konden we de relaties tussen deze factoren begrijpen."

Dit diepgaande onderzoek van perovskiet-zonnecellen in werking toonde aan dat veranderingen in de spintoestanden het gevolg zijn van veranderingen in het gatentransport en de vorming van elektrische dipoollagen op het grensvlak. Er werd daarom geconcludeerd dat celverslechtering kon worden voorkomen door de ladingsmobiliteit in het gattransportmateriaal te verbeteren en de vorming van elektrische dipoollagen te voorkomen.

"Het vaststellen dat veranderingen in spintoestanden gecorreleerd zijn met apparaatprestaties heeft ons begrip van perovskiet-zonnecellen aanzienlijk verbreed, " Professor Marumoto zegt. "We hopen dat onze bevindingen een waardevol nieuw startpunt zullen bieden voor de verdere ontwikkeling van zonnecellen en de realiteit van kosteneffectieve groene energie helpen versnellen."