Perovskiet-zonnecellen zijn het onderwerp geweest van veel onderzoek als de volgende generatie fotovoltaïsche apparaten. Er moeten echter nog veel uitdagingen worden overwonnen voor de praktische toepassing. Een daarvan betreft de gatentransportlaag (p-type halfgeleider) in fotovoltaïsche cellen die door licht gegenereerde gaten naar de elektrode voert.

In conventionele p-type organische transporthalfgeleiders zijn doteermiddelen chemisch reactief en degraderen ze het fotovoltaïsche apparaat. Anorganische p-type halfgeleiders, die chemisch stabiel zijn, zijn veelbelovende alternatieven, maar de fabricage van conventionele anorganische p-type halfgeleiders vereist een behandeling bij hoge temperatuur. In dit opzicht zijn de p-type anorganische halfgeleiders die bij lage temperaturen kunnen worden vervaardigd en een uitstekend gattransportvermogen hebben, gewenst.

Anorganische p-type koperjodide (CuI) halfgeleider is een toonaangevende kandidaat voor dergelijke gatentransportmaterialen in fotovoltaïsche apparaattoepassingen. In dit materiaal geven native defecten aanleiding tot ladingsonbalans en gratis ladingdragers. Het totale aantal defecten is echter over het algemeen te laag voor bevredigende apparaatprestaties.

Het toevoegen van onzuiverheden met acceptor (positief geladen) of donor (negatief geladen) eigenschappen, bekend als "onzuiverheidsdoping", is de gouden standaardmethode voor het versterken van de transporteigenschappen van halfgeleiders en de prestaties van het apparaat. Bij conventionele methoden zijn ionen met een lagere valentie dan de samenstellende atomen als dergelijke onzuiverheden gebruikt. In op Cu(I) gebaseerde halfgeleiders is er echter geen ion met een valentie lager dan die van eenwaardige koperionen (nul-valentie), en dus is er geen p-type doping in koperverbindingen vastgesteld.

Om een ​​nieuw carrier-dopingontwerp voor p-type doping in CuI voor te stellen, hebben onderzoekers uit Japan en de VS zich onlangs gericht op het alkali-onzuiverheidseffect, dat empirisch is gebruikt voor het doteren van gaten in eenwaardige koperen halfgeleiders, koperoxide (Cu₂ O) en Cu(In,Ga)Se₂ .

In een nieuwe benadering geschetst in een studie gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society , toonde het team, geleid door Dr. Kosuke Matsuzaki van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, experimenteel aan dat p-type doping met alkali-iononzuiverheden, die dezelfde valentie heeft als koper maar groter is, de geleidbaarheid in Cu kan verbeteren (I)-gebaseerde halfgeleiders. De theoretische analyses tonen aan dat de complexe defecten, die bestaan ​​uit onzuiverheid van alkali-ionen en vacatures van koperionen, de oorzaak zijn van het ontstaan ​​van gaten (p-type geleidbaarheid).

Hoewel bekend is dat alkalimetaalverontreinigingen de dragerconcentratie in koperoxide verhogen, bleef het onderliggende mechanisme tot nu toe een mysterie voor wetenschappers. Dit mechanisme is nu opgehelderd, zoals Dr. Matsuzaki uitlegt:"Met behulp van een combinatie van experimentele studies en theoretische analyse zijn we erin geslaagd om het effect van de alkalische onzuiverheden in op Cu(I) gebaseerde halfgeleiders te ontdekken. De onzuiverheid van het alkalimetaal Na interageert met naburige Cu-ionen in Cu₂ O om defectcomplexen te vormen. De complexen leiden op hun beurt tot een bron van gaten."

Als een onzuiverheid wordt toegevoegd aan de kristalstructuur, duwt elektrostatische Coulomb-afstoting tussen de onzuiverheid en aangrenzende Cu-ionen de Cu-atomen uit hun posities in de structuur en leidt tot de vorming van meerdere acceptorachtige kopervacatures. Dit verhoogt op zijn beurt de totale p-type dragerconcentratie en bijgevolg de p-type geleidbaarheid. "Onze simulaties laten zien dat het van cruciaal belang is dat de onzuiverheid iets groter is voor lege ruimtes in het kristalrooster om elektrostatische afstoting op te roepen. Voor alkalische onzuiverheden die kleiner zijn, bijvoorbeeld lithium, vallen de onzuiverheidionen in de interstitiële plaatsen en vervormen het kristal niet voldoende rooster", legt Dr. Matsuzaki uit.

Op basis van het p-type dopingmechanisme om een ​​acceptor-type Cu-vacature-defectcomplex te vormen, onderzocht het team grotere alkalische ionen, zoals kalium, rubidium en cesium (Cs), als acceptoronzuiverheden in γ-CuI. Onder hen zouden de Cs-ionen nog meer Cu-vacatures kunnen binden, wat leidt tot een nog grotere concentratie van stabiele ladingsdragers (10 ¹³ —10 ¹⁹ cm ^-3 ) zowel in eenkristallen als in dunne films bereid uit de oplossing.

"Dit suggereert dat de methode kan worden gebruikt om de dragerconcentraties te verfijnen bij verwerking bij lage temperatuur voor specifieke toepassingen en apparaten. Dit zou een hele nieuwe reeks toepassingen voor deze p-type materialen mogelijk maken", besluit Matsuzaki.

De ontwikkeling zou inderdaad een grote sprong voorwaarts kunnen zijn voor op koper (I) gebaseerde halfgeleiders en zou binnenkort kunnen leiden tot hun praktische toepassingen in zonnecellen en opto-elektronische apparaten. + Verder verkennen

Transparant elektronica-onderzoek wint aan kracht