Een team van onderzoekers onder leiding van professor Yabing Qi van de Energy Materials and Surface Sciences Unit van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) in Japan heeft de atomen aan het oppervlak van de lichtabsorberende laag in een nieuw type van volgende generatie zonnecellen, gemaakt van een kristalmateriaal genaamd metaalhalogenide perovskiet.

Hun bevindingen, gerapporteerd in het journaal Energie en milieuwetenschappen , hebben een al lang bestaand mysterie op het gebied van zonne-energietechnologie opgelost, laat zien hoe krachtverhogend en stabiliteitsverhogend chloor in het perovskietmateriaal is verwerkt.

In een wereld die nu wordt gevoed door de behoefte aan schone, groene energie, zonne-energie is een essentiële weg vooruit uit de klimaatcrisis. En metaalhalogenide-perovskieten zijn het opkomende materiaal waarvan veel onderzoekers hopen dat het op een dag de siliciumzonnecellen die momenteel de markt domineren, zal overschaduwen of aanvullen.

"Perovskieten hebben het potentieel om goedkoper te zijn, efficiënter en veelzijdiger dan silicium, " zei eerste auteur Dr. Afshan Jamshaid, een voormalig Ph.D. student in de OIST Energy Materials and Surface Sciences Unit.

Maar momenteel, perovskiet-zonnecellen hebben problemen met efficiëntie, opschaling en stabiliteit, weerhouden van commercialisering. Hoge temperaturen, vochtigheid en UV-licht kunnen het perovskietmateriaal aantasten, verminderen hoe goed het lichtenergie kan omzetten in stroom, Dr. Jamsaid legde het uit.

Over de afgelopen tien jaar, onderzoekers zijn intensief gefocust op het aanpakken van deze problemen. Een manier om perovskiet-zonnecellen te verbeteren, is door doteringen te gebruiken - kleine sporen van een andere chemische stof die worden toegevoegd tijdens het proces van het maken van de perovskiet-kristallen laag. Doteermiddelen veranderen de fysische en chemische eigenschappen van het materiaal, het verhogen van de stabiliteit en efficiëntie van het zonne-apparaat.

Een zo'n doteringsmiddel is chloor, waarvan is aangetoond dat het de levensduur van perovskiet-zonnecellen verlengt en hun energieconversie-efficiëntie verbetert. Maar tot nu toe, hoe dit doteringsmiddel werkte, was een raadsel.

"De onderzoeksgemeenschap had geen idee waarom ze deze verbeteringen zagen. Eenmaal toegevoegd, de onderzoekers konden het chloor niet volgen - ze konden niet zeggen of het chloor diep in het perovskietmateriaal was opgenomen, bleef aan de oppervlakte of verliet zelfs het materiaal tijdens het fabricageproces, " zei Dr. Jamsaid. "Ongeveer 50% van de gemeenschap geloofde dat het chloor aanwezig was, maar de andere 50% van de gemeenschap niet."

In de studie, de onderzoeksgroep beslechtte uiteindelijk het debat door dunne films te maken van het metaalhalogenide perovskiet, methylammonium loodjodide, die met chloor waren gedoteerd. Ze gebruikten geavanceerde scanning tunneling microscopie om het oppervlak van de perovskietlaag in beeld te brengen.

"Alleen door in te zoomen tot op atomair niveau konden we eindelijk detecteren dat het chloor er echt was, alleen bij een zeer lage concentratie, " zei dr. Jamsaid.

Het team ontdekte dat er donkere depressies op het oppervlak waren die niet werden gezien in de pure methylammonium-loodjodide-perovskietfilms.

Door theoretische berekeningen uitgevoerd door de medewerkers Professor Wanjian Yin en Dr. Zhendong Guo aan de Soochow University in China, de onderzoekers concludeerden dat deze donkere depressies betekenen waar chloor, die kleiner is, heeft het losjes gebonden jodium in de perovskiet-kristalstructuur vervangen.

De onderzoeksgroep merkte ook op dat er meer van deze donkere inkepingen waren rond de korrelgrenzen in de perovskietfilm.

De perovskietlaag is geen uniform kristalrooster, maar bestaat in plaats daarvan uit veel verschillende kristalkorrels. Het komt door deze scheuren tussen de korrels, korrelgrenzen genoemd, dat perovskiet inherent zo onstabiel is.

"De meeste degradatie door UV-licht, temperatuur of vocht ontstaat aan deze korrelgrenzen, omdat de ionen hier veel losser gebonden zijn, " zei dr. Jamsaid.

Het team vermoedt dat de verhoogde aanwezigheid van chloor rond deze korrelgrenzen de extra stabiliteit en efficiëntie van het materiaal kan verklaren. door het aantal defecten op het oppervlak te verminderen.

belangrijk, de onderzoekers ontdekten dat wanneer ze de concentratie van chloor in de perovskietfilm varieerden door de tijdsduur dat het chloor werd afgezet te veranderen, ook de oppervlaktestructuur en elektronische eigenschappen van het materiaal veranderden.

Op de kortste depositietijd, het team kon geen chloor op het oppervlak van het perovskietmateriaal detecteren. En bij de langste afzettingstijd, het chloor vormde een extra laag ionen bovenop de perovskiet die de elektronische eigenschappen drastisch veranderde.

De onderzoekers waren in staat om een ​​tussenliggende afzettingstijd te berekenen die de goede plek bereikte - een optimale concentratie chloor - ongeveer 14,8% - op het oppervlak. Deze concentratie gaf het perovskietmateriaal een hoge stabiliteit.

De volgende stap voor het onderzoeksteam is het vervaardigen van een complete zonnecel die een perovskietlaag bevat die is gedoteerd met deze optimale concentratie chloor.

"Daarom zijn fundamentele onderzoeken zoals deze zo belangrijk - ze helpen apparaatingenieurs om het meest optimale productieproces vast te stellen zonder al te veel vallen en opstaan, " zei Dr. Jamsaid. "Door te begrijpen hoe de doteermiddelen het materiaal verbeteren, het kan ons ook leiden naar nieuwe chemische mengsels die misschien nog beter werken."