Een team onder leiding van RIKEN-onderzoekers heeft onderzocht hoe speciale kristallen licht omzetten in elektriciteit. Hun bevindingen zullen bijdragen aan de inspanningen om hun efficiëntie te verbeteren, wat ertoe zou kunnen leiden dat de kristallen in zonnecellen worden gebruikt. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie International Edition .

Zonnecellen zetten licht om in elektriciteit door een fenomeen dat bekend staat als het fotovoltaïsche effect. De overgrote meerderheid van de zonnecellen bestaat uit twee aan elkaar vastgeklemde halfgeleiders:de ene heeft een overschot aan elektronen en de andere heeft een tekort aan elektronen. Dit komt doordat de opstelling een hoge conversie-efficiëntie heeft.

Maar een ander fotovoltaïsch effect heeft ook de aandacht getrokken:het bulk-fotovoltaïsche effect, zo genoemd omdat het slechts om één enkel materiaal gaat. Hoewel de conversie-efficiëntie momenteel vrij laag is, heeft recent onderzoek manieren voorgesteld om de efficiëntie ervan te verbeteren.

Er is veel discussie geweest over hoe het bulk-fotovoltaïsche effect werkt. Oorspronkelijk werd gedacht dat een elektrisch veld dat werd gegenereerd door polarisaties in het materiaal aanleiding gaf tot dit effect, maar een nieuwe verklaring wint de laatste tijd steeds meer terrein.

In dit nieuwe mechanisme verschuift licht de elektronenwolken in het materiaal en deze verschuivingen planten zich voort en genereren een stroom. Deze stroom heeft aantrekkelijke eigenschappen, waaronder een ultrasnelle respons en dissipatieloze voortplanting.

Materialen die bekend staan ​​als organisch-anorganische hybride perovskieten (OIHP's) hebben een groot potentieel voor het maken van opto-elektronische apparaten. Het grote fotovoltaïsche effect in OIHP's wordt over het algemeen toegeschreven aan het oude macroscopische polarisatiemechanisme.

"Ingebouwde elektrische velden in materialen worden vaak beschouwd als de oorsprong van het grootschalige fotovoltaïsche effect in OIHP's, maar zonder solide bewijs", merkt Taishi Noma van het RIKEN Center for Emergent Matter Science op.

Door nu het grote fotovoltaïsche effect in OIHP-kristallen in detail te bestuderen, hebben Noma en zijn medewerkers bewijs gevonden dat consistent is met het verschuivingsmechanisme en het macroscopische polarisatiemechanisme uitsluit.

Concreet observeerden ze het grootschalige fotovoltaïsche effect langs een niet-polaire as in een OIHP, dat niet kan worden verklaard in termen van het macroscopische polarisatiemechanisme.

De resultaten van het team benadrukken het belang van de kristalsymmetrie van het materiaal. De opgedane inzichten zullen onderzoekers helpen de eigenschappen van OIHP's te optimaliseren door hun symmetrie aan te passen. In het bijzonder kunnen de inzichten helpen de efficiëntie van OIHP's bij het omzetten van licht in elektriciteit te verbeteren.

Noma en zijn team zijn nu van plan andere soorten materialen te onderzoeken. "In principe kunnen schuifstromen ook worden gegenereerd in andere materiaalklassen, zoals vloeibare kristallen en organische moleculaire kristallen", zegt Noma. "We willen dit onderzoek graag uitbreiden naar andere materialen."

Meer informatie: Taishi Noma et al., Bulkfotovoltaïsch effect langs de niet-polaire as in organisch-anorganische hybride perovskieten, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202309055

Journaalinformatie: Angewandte Chemie Internationale Editie

Aangeboden door RIKEN