Silicium domineert zonne-energieproducten - het is stabiel, goedkoop en efficiënt in het omzetten van zonlicht in elektriciteit. Elk nieuw materiaal dat silicium opneemt, moet op die grond concurreren en winnen. Als resultaat van een internationale onderzoekssamenwerking, Shanghai Jiao Tong-universiteit, de Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), en de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hebben een stabiel materiaal gevonden dat efficiënt elektriciteit creëert - wat de hegemonie van silicium zou kunnen uitdagen.

Inschrijven Wetenschap , de samenwerkende teams laten zien hoe het materiaal CsPbI ₃ is gestabiliseerd in een nieuwe configuratie die een hoge conversie-efficiëntie kan bereiken. CsPbI ₃ is een anorganische perovskiet, een groep materialen die aan populariteit wint in de zonnewereld vanwege hun hoge efficiëntie en lage kosten. Deze configuratie is opmerkelijk omdat het stabiliseren van deze materialen van oudsher een uitdaging was.

"We zijn blij met de resultaten die suggereren dat CsPbI ₃ kan concurreren met toonaangevende materialen, " zegt professor Yabing Qi, hoofd van de afdeling Energiematerialen en Oppervlaktewetenschappen van OIST, die leiding gaf aan het oppervlaktewetenschappelijke aspect van de studie.

"Van dit voorlopige resultaat zullen we nu werken aan het verbeteren van de stabiliteit van het materiaal en de commerciële vooruitzichten."

Uitlijning van energieniveau

CsPbI ₃ wordt vaak bestudeerd in de alfafase, een bekende configuratie van de kristalstructuur die vanwege zijn zwarte kleur terecht bekend staat als de donkere fase. Deze fase is bijzonder goed in het absorberen van zonlicht. Helaas, het is ook onstabiel - en de structuur degradeert snel tot een geelachtige vorm, minder goed in staat om zonlicht op te nemen.

Deze studie onderzocht in plaats daarvan het kristal in zijn bètafase, een minder bekende opstelling van de structuur die stabieler is dan de alfafase. Hoewel deze structuur stabieler is, het vertoont een relatief lage energieconversie-efficiëntie.

Dit lage rendement is mede het gevolg van de scheuren die vaak ontstaan ​​in dunne-film zonnecellen. Deze scheuren veroorzaken het verlies van elektronen in aangrenzende lagen in de zonnecel - elektronen die niet langer als elektriciteit kunnen stromen. Het team behandelde het materiaal met een cholinejodide-oplossing om deze scheuren te genezen, en deze oplossing optimaliseerde ook de interface tussen lagen in de zonnecel, bekend als uitlijning van het energieniveau.

"Elektronen stromen van nature naar materialen met een lagere potentiële energie voor elektronen, het is dus belangrijk dat de energieniveaus van de aangrenzende lagen vergelijkbaar zijn met die van CsPbI ₃ , " zegt Dr. Luis K. Ono, een co-auteur van het laboratorium van professor Qi. "Deze synergie tussen lagen zorgt ervoor dat er minder elektronen verloren gaan en dat er meer elektriciteit wordt opgewekt."

Het OIST-team, ondersteund door het OIST Technology Development and Innovation Center, gebruikte ultraviolette foto-emissiespectroscopie om de uitlijning van het energieniveau tussen CsPbI . te onderzoeken ₃ en de aangrenzende lagen. Deze gegevens lieten zien hoe elektronen zich vervolgens vrij door de verschillende lagen kunnen bewegen, elektriciteit opwekken.

De resultaten toonden een laag verlies van elektronen aan aangrenzende lagen na behandeling met cholinejodide - als gevolg van betere uitlijning van het energieniveau tussen de lagen. Door de scheuren te repareren die van nature ontstaan, deze behandeling leidde tot een verhoging van de conversie-efficiëntie van 15 procent naar 18 procent.

Hoewel die sprong misschien klein lijkt, het brengt CsPbI ₃ op het gebied van gecertificeerde efficiëntie, de concurrerende waarden die worden geboden door concurrerende zonnematerialen. Hoewel dit vroege resultaat veelbelovend is, anorganisch perovskiet blijft achter. Voor CsPbI ₃ om echt te concurreren met silicium, het team zal vervolgens werken aan de drie-eenheid van factoren waardoor de heerschappij van silicium kan voortduren:stabiliteit, kosten, en efficiëntie.