Onderzoekers van de materiaalafdeling van het UC Santa Barbara's College of Engineering hebben een belangrijke oorzaak van de beperkingen van de efficiëntie in een nieuwe generatie zonnecellen ontdekt.

Verschillende mogelijke defecten in het rooster van wat bekend staat als hybride perovskieten werden eerder beschouwd als de mogelijke oorzaak van dergelijke beperkingen, maar er werd aangenomen dat de organische moleculen (de componenten die verantwoordelijk zijn voor de "hybride" naam) intact zouden blijven. Geavanceerde berekeningen hebben nu aangetoond dat ontbrekende waterstofatomen in deze moleculen enorme efficiëntieverliezen kunnen veroorzaken. De bevindingen zijn gepubliceerd in een paper met de titel "Het minimaliseren van waterstofvacatures om zeer efficiënte hybride perovskieten mogelijk te maken, " in het 29 april nummer van het tijdschrift Natuurmaterialen .

De opmerkelijke fotovoltaïsche prestaties van hybride perovskieten hebben voor veel opwinding gezorgd, gezien hun potentieel om de zonneceltechnologie vooruit te helpen. "Hybride" verwijst naar de inbedding van organische moleculen in een anorganisch perovskietrooster, die een kristalstructuur heeft die lijkt op die van het perovskietmineraal (calciumtitaanoxide). De materialen vertonen een stroomconversie-efficiëntie die wedijvert met die van silicium, maar zijn veel goedkoper te produceren. Defecten in het perovskiet kristalrooster, echter, waarvan bekend is dat ze ongewenste energiedissipatie creëren in de vorm van warmte, wat de efficiëntie beperkt.

Een aantal onderzoeksteams hebben dergelijke defecten bestudeerd, waaronder de groep van UCSB materiaalprofessor Chris Van de Walle, die onlangs een doorbraak bereikte door een schadelijk defect te ontdekken op een plek waar nog niemand eerder had gekeken:op het organische molecuul.

"Methylammonium-loodjodide is de prototypische hybride perovskiet, " legde Xie Zhang uit, hoofdonderzoeker van het project. "We ontdekten dat het verrassend eenvoudig is om een ​​van de bindingen te verbreken en een waterstofatoom van het methylammoniummolecuul te verwijderen. De resulterende 'waterstofleegte' fungeert dan als een gootsteen voor de elektrische ladingen die door het kristal bewegen nadat ze zijn gegenereerd door licht dat valt op de zonnecel. Wanneer deze ladingen worden opgevangen op de vacature, ze kunnen geen nuttig werk meer doen, zoals het opladen van een batterij of het aandrijven van een motor, vandaar het verlies aan efficiëntie."

Het onderzoek werd mogelijk gemaakt door geavanceerde computertechnieken ontwikkeld door de Van de Walle-groep. Dergelijke state-of-the-art berekeningen geven gedetailleerde informatie over het kwantummechanische gedrag van elektronen in het materiaal. Mark Turianski, een laatstejaarsstudent in de groep van Van de Walle die betrokken was bij het onderzoek, hielpen bij het ontwikkelen van geavanceerde benaderingen om deze informatie om te zetten in kwantitatieve waarden voor tarieven van ladingdrager-trapping.

"Onze groep heeft krachtige methoden ontwikkeld om te bepalen welke processen efficiëntieverlies veroorzaken, " Turiansky zei:"en het is verheugend om te zien dat de aanpak zulke waardevolle inzichten oplevert voor een belangrijke materiaalklasse."

"De berekeningen fungeren als een theoretische microscoop waarmee we in het materiaal kunnen kijken met een veel hogere resolutie dan experimenteel kan worden bereikt, Van de Walle legt uit. "Ze vormen ook een basis voor rationeel materiaalontwerp. Door vallen en opstaan, er is gevonden dat perovskieten waarin het methylammoniummolecuul is vervangen door formamidinium betere prestaties vertonen. We kunnen deze verbetering nu toeschrijven aan het feit dat zich minder gemakkelijk waterstofdefecten vormen in de formamidiniumverbinding.

"Dit inzicht biedt een duidelijke reden voor de empirisch vastgestelde wijsheid dat formamidinium essentieel is voor het realiseren van hoogrenderende zonnecellen, "voegde hij eraan toe. "Op basis van deze fundamentele inzichten, de wetenschappers die de materialen fabriceren, kunnen strategieën ontwikkelen om de schadelijke defecten te onderdrukken, het stimuleren van extra efficiëntieverbeteringen in zonnecellen."