Een veelbelovend halfgeleidermateriaal kan worden verbeterd als fouten die voorheen niet relevant waren voor de prestaties, worden verminderd, volgens onderzoek dat vandaag is gepubliceerd in Natuurcommunicatie . Een groep onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute en andere universiteiten heeft aangetoond dat een specifiek defect van invloed is op het vermogen van halideperovskiet om energie afkomstig van licht vast te houden in de vorm van elektronen.

"Defecten kunnen goed of slecht zijn in halfgeleiders, " zei Jian Shi, universitair hoofddocent materiaalkunde. "Om de een of andere reden, mensen schonken geen aandacht aan dislocaties in halide perovskiet, maar we hebben aangetoond dat dit defect een probleem is in halide-perovskiet."

Onderzoek naar halide-perovskiet heeft de efficiëntie van het materiaal in de loop van een decennium snel verbeterd van ongeveer 3% omzetting van licht in elektrische energie tot 25% - wat overeenkomt met ultramoderne siliciumzonnecellen. Onderzoekers worstelden tientallen jaren met silicium om het huidige efficiëntieniveau van dat materiaal te bereiken.

Halide perovskiet heeft ook veelbelovende dragerdynamiek, die ruwweg worden gedefinieerd als de tijdsduur dat lichtenergie die door het materiaal wordt geabsorbeerd, wordt vastgehouden in de vorm van een geëxciteerd elektron. Om een ​​goed vooruitzicht te maken voor de omzetting van zonne-energie, elektronen in het materiaal moeten hun energie lang genoeg behouden om te worden geoogst door een elektrode die aan het materiaal is bevestigd, waardoor de omzetting van licht in elektrische energie wordt voltooid.

Het materiaal werd lange tijd beschouwd als "fouttolerant, " wat gebreken betekent zoals ontbrekende atomen, slordige bindingen over korrels van het kristal, en een mismatch die bekend staat als kristallografische dislocatie, werd niet verondersteld veel invloed te hebben op de efficiëntie. Meer recent onderzoek heeft die veronderstelling in twijfel getrokken en ontdekte dat sommige defecten aspecten van de prestaties van het kristal beïnvloeden.

Shi's team testte of het defect van kristallografische dislocatie de dragerdynamiek beïnvloedt door het kristal op twee verschillende substraten te laten groeien. Eén substraat had een sterke interactie met het halogenideperovskiet terwijl het werd afgezet, waardoor een hogere dichtheid van dislocaties ontstaat. De andere had een zwakkere interactie en produceerde een lagere dichtheid van dislocaties.

De resultaten laten zien dat dislocaties een negatieve invloed hebben op de dragerdynamiek van halideperovskiet. Het verminderen van dislocatiedichtheden met meer dan één orde van grootte blijkt te leiden tot een verviervoudiging van de levensduur van de elektronen.

"Een conclusie is dat halide-perovskiet een vergelijkbaar dislocatie-effect heeft als conventionele halfgeleiders, Shi zei. "We moeten oppassen voor dislocaties in halide perovskiet, dat is een factor die mensen hebben genegeerd terwijl ze aan dit materiaal werken."

Shi's laatste belangrijke werk over halideperovskiet onthulde de rol van druk op de optische eigenschappen van deze halfgeleider, gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang anno 2018.

Bij Rensselaer, Shi werd vergezeld door onderzoekers van zowel het Department of Materials Science and Engineering als het Department of Physics, Toegepaste natuurkunde en sterrenkunde. Onderzoekers van de Kunming University of Science and Technology, Tsinghua universiteit, Universiteit voor Wetenschap en Technologie Peking, Forschungszentrum Jülich, en Brown University droegen ook bij aan het onderzoek.

"Verhoging van de levensduur van de drager in halide-perovskiet via epitaxie op afstand" werd op 12 september gepubliceerd in Natuurcommunicatie .