Een synthetische benadering ontwikkeld door KAUST-onderzoekers genereert homogene en defectvrije kristallen die de commercialisering van perovskiet-zonnecellen zouden kunnen versnellen.

"Perovskiet-zonnecellen zijn het snelst ontwikkelende type fotovoltaïsche technologie, met een stroomconversie-efficiëntie die stijgt van 3,8 procent in 2009 tot 24,2 procent in 2019 voor apparaten met één junction, " zegt Osman Bakr, die de studie met Omar Mohammed leidde. Deze snelle toename van de prestaties wordt geassocieerd met goedkope en eenvoudige fabricage van apparaten, wat deze zonnecellen commercieel aantrekkelijk maakt.

De prestaties en stabiliteit van zonnecellen hangen af ​​van de morfologie van de perovskiet-dunne films, die fungeren als lagen voor het oogsten van licht in de apparaten. Naast hun lage kosten en eenvoudige verwerking, deze materialen hebben uitzonderlijke optische en transporteigenschappen. Hybride op lood gebaseerde perovskieten die een methylammoniumkation combineren met verschillende halogeniden, zoals de anionische vormen van broom en jodium, presenteren een smalle en afstembare optische bandgap. Deze bandgap benadert de theoretische waarde die nodig is om de maximale conversie-efficiëntie voor een enkelvoudige zonnecel te bereiken. Daarom, perokskieten zouden een alternatief kunnen worden voor op silicium gebaseerde zonnematerialen.

Echter, bestaande perovskiet-zonnecellen bestaan ​​meestal uit polykristallijne dunne films die zeer ongeordend en defect zijn, waardoor apparaten niet optimaal kunnen presteren.

Om dit probleem aan te pakken, Bakr en Mohammed hebben nu hoge beeldverhoudingen geproduceerd, monokristallijne films van methylammonium-lood-trijodide-perovskieten. Ze bereikten dit door de kristallisatie te starten tussen twee met polymeer beklede substraten die vervolgens de kristalgroei fysiek zouden beperken tot één dimensie onder verwarming.

In vergelijking met hun polykristallijne tegenhangers, perovskieten met één kristal vertonen een aanzienlijk lagere defectdichtheid en veel hogere diffusielengten van de ladingsdragers:dit is een maatstaf voor hun vermogen om door licht gegenereerde elektronen gescheiden te houden van positief geladen gaten en elektrische stroom te creëren. Daarom, "We redeneerden dat deze eenkristallen een kans bieden voor perovskiet-zonneceltechnologie om deze beperkingen te overwinnen en zo dicht mogelijk bij de theoretische efficiëntielimiet te komen, ' zegt Mohamed.

de kristallen, die een dikte van 20 micrometer en een oppervlakte van enkele vierkante millimeters vertoonde, leverde hoogwaardige zonnecellen met een maximale energieconversie-efficiëntie van 21,09 procent. Deze apparaten vestigen een nieuw prestatierecord voor perovskiet-eenkristal-zonnecellen.

"We waren aangenaam verrast door deze resultaten, ", zegt Bakr. Hij voegt eraan toe dat de onderzoekers aanvankelijk dachten dat ze kristallen veel dunner dan 20 micrometer moesten laten groeien om deze prestatie te bereiken, en het kweken van dunne kristallen is een enorme uitdaging.

De onderzoekers zijn van mening dat deze recordefficiëntie de potentiële rol van enkele kristallen in de ontwikkeling van perovskietbevattende apparaten benadrukt, parallel aan het pad dat hun polykristallijne tegenhangers inslaan.