Hybride organisch-anorganische perovskieten hebben al een hoge fotovoltaïsche efficiëntie van meer dan 25% laten zien. De heersende wijsheid in het veld is dat de organische (koolstof- en waterstofbevattende) moleculen in het materiaal cruciaal zijn voor het bereiken van deze indrukwekkende prestatie, omdat wordt aangenomen dat ze door defecten ondersteunde recombinatie van dragers onderdrukken.

Nieuw onderzoek in de materiaalafdeling van UC Santa Barbara heeft niet alleen aangetoond dat deze veronderstelling onjuist is, maar ook dat volledig anorganische materialen het potentieel hebben om beter te presteren dan hybride perovskieten. De bevindingen zijn gepubliceerd in het artikel "All-anorganic halide perovskites as candidates for efficient solar cells, " die verschijnt op de omslag van het 20 oktober nummer van het tijdschrift Celrapporten Fysische Wetenschap .

"Om de materialen te vergelijken, we hebben uitgebreide simulaties van de recombinatiemechanismen uitgevoerd, " legde Xie Zhang uit, hoofdonderzoeker van het onderzoek. "Als licht op een zonnecelmateriaal schijnt, de foto-gegenereerde dragers genereren een stroom; recombinatie bij defecten vernietigt sommige van die dragers en verlaagt dus de efficiëntie. Defecten werken dus als efficiëntiekillers."

Om anorganische en hybride perovskieten te vergelijken, de onderzoekers bestudeerden twee prototypematerialen. Beide materialen bevatten lood- en jodiumatomen, maar in één materiaal wordt de kristalstructuur gecompleteerd door het anorganische element cesium, terwijl in de andere het organische methylammoniummolecuul aanwezig is.

Het experimenteel uitzoeken van deze processen is buitengewoon moeilijk, maar state-of-the-art kwantummechanische berekeningen kunnen de recombinatiesnelheden nauwkeurig voorspellen, dankzij een nieuwe methodologie die werd ontwikkeld in de groep van UCSB-materiaalprofessor Chris Van de Walle, die Mark Turiansky heeft gecrediteerd, een senior afgestudeerde student in de groep, met het helpen schrijven van de code om de recombinatiesnelheden te berekenen.

"Onze methoden zijn zeer krachtig om te bepalen welke defecten dragerverlies veroorzaken, "Zei Turiansky. "Het is opwindend om te zien hoe de benadering wordt toegepast op een van de kritieke problemen van onze tijd, namelijk het efficiënt opwekken van duurzame energie."

Het uitvoeren van de simulaties toonde aan dat defecten die beide materialen gemeen hebben, aanleiding geven tot vergelijkbare (en relatief goedaardige) niveaus van recombinatie. Echter, het organische molecuul in de hybride perovskiet kan uiteenvallen; wanneer verlies van waterstofatomen optreedt, de resulterende "vacatures" verminderen de efficiëntie sterk. De aanwezigheid van het molecuul is dus een nadeel, in plaats van een aanwinst, aan de algehele efficiëntie van het materiaal.

Waarom, dan, is dit niet experimenteel opgemerkt? Vooral omdat het moeilijker is om hoogwaardige lagen van de volledig anorganische materialen te kweken. Ze hebben de neiging om andere kristalstructuren aan te nemen, en het bevorderen van de vorming van de gewenste structuur vereist meer experimentele inspanning. Recent onderzoek heeft uitgewezen, echter, dat het realiseren van de gewenste structuur zeker haalbaar is. Nog altijd, de moeilijkheid verklaart waarom de volledig anorganische perovskieten tot nu toe niet zoveel aandacht hebben gekregen.

"We hopen dat onze bevindingen over de verwachte efficiëntie meer activiteiten zullen stimuleren die gericht zijn op het produceren van anorganische perovskieten, ’ concludeerde Van de Walle.