In perovskiet zonnecellen, ladingsdragers gaan voornamelijk verloren door recombinatie die optreedt op plaatsen met interface-defecten. In tegenstelling tot, recombinatie op defecte plaatsen binnen de perovskietlaag beperkt de prestaties van de zonnecellen op dit moment niet. Teams van de Universiteit van Potsdam en het Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) kwamen tot deze interessante conclusie door middel van uiterst nauwkeurige kwantitatieve metingen op 1 cm ² perovskietcellen met behulp van fotoluminescentie. Hun resultaten dragen bij aan het verbeteren van perovskiet-zonnecellen en zijn nu gepubliceerd in Natuur Energie .

Zelfs zonnecellen gemaakt van een perfect wondermateriaal zouden nooit 100 procent van het zonlicht kunnen omzetten in elektrische energie. Dit komt omdat het theoretisch maximaal haalbare vermogen wordt beperkt door de positie van de energiebanden van de elektronen, en door onvermijdelijke straling van fotonen (de thermodynamische of Shockley-Queisser-limiet). Maximale energieconversie-efficiëntie voor silicium is ongeveer 33 procent, bijvoorbeeld. Maar zelfs deze waarde zal nooit echt worden bereikt. Dit is te wijten aan defecten van verschillende soorten die het verlies van enkele van de door zonlicht vrijkomende ladingsdragers veroorzaken. Om de maximale waarde te benaderen, het is daarom noodzakelijk om de verschillende defecten in zonnecellen te onderzoeken en te bepalen welke tot verliezen leiden en hoe.

Organometallische perovskiet-absorberende lagen worden beschouwd als een bijzonder opwindende nieuwe materiaalklasse voor zonnecellen - in slechts 10 jaar tijd hun efficiëntie is gestegen van drie procent tot meer dan twintig procent, een geweldig succesverhaal. Nu is een team onder leiding van Prof. Dr. Dieter Neher van de Universiteit van Potsdam en Dr. Thomas Unold van HZB erin geslaagd de beslissende verliesprocessen in perovskietzonnecellen te identificeren die de efficiëntie beperken.

Bij bepaalde defecten in het kristalrooster van de perovskietlaag, ladingsdragers (d.w.z. elektronen en "gaten") die zojuist door zonlicht zijn vrijgekomen, kunnen weer recombineren en dus verloren gaan. Maar of deze defecten zich bij voorkeur in de perovskietlaag bevonden, of in plaats daarvan op het grensvlak tussen de perovskietlaag en de transportlaag was tot nu toe onduidelijk.

Om dit te bepalen, de wetenschappers gebruikten fotoluminescentietechnieken met hoge precisie, ruimtelijke en temporele resolutie. Met behulp van laserlicht, ze prikkelden de perovskietlaag ter grootte van een vierkante centimeter en detecteerden waar en wanneer het materiaal licht uitstraalde als reactie op de excitatie. "Deze meetmethode in ons lab is zo nauwkeurig, kunnen we het exacte aantal uitgestraalde fotonen bepalen, " legt Unold uit. En niet alleen dat, de energie van de uitgezonden fotonen werd nauwkeurig geregistreerd en ook geanalyseerd met behulp van een hyperspectrale CCD-camera.

"Op deze manier, we waren in staat om de verliezen op elk punt van de cel te berekenen en daarmee te bepalen dat de meest schadelijke defecten zich bevinden op de grensvlakken tussen de perovskietabsorberende laag en de ladingstransportlagen, " meldt Unold. Dit is belangrijke informatie voor het verder verbeteren van perovskiet-zonnecellen, bijvoorbeeld door middel van tussenlagen die een positief effect hebben of door aangepaste fabricagemethoden.

Met behulp van deze bevindingen, de groep onder leiding van Prof. Dr. Dieter Neher en Dr. Martin Stolterfoht aan de Universiteit van Potsdam is erin geslaagd de grensvlakrecombinatie te verminderen en zo de efficiëntie van 1 cm te verhogen ² perovskiet-zonnecellen tot ruim 20 procent.