Mensen kunnen goed zijn in het verbergen van spanning, en we zijn niet alleen. Zonnecellen hebben hetzelfde talent. Voor een zonnecel fysieke belasting binnen zijn microscopische kristallijne structuur kan zijn kernfunctie - het omzetten van zonlicht in elektriciteit - onderbreken door in wezen energie als warmte te "verliezen". Voor een opkomend type zonnecel, bekend als loodhalogenideperovskieten, het verminderen en temmen van dit verlies is de sleutel tot het verbeteren van de efficiëntie en om de perovskieten op één lijn te brengen met de huidige siliciumzonnecellen.

Om te begrijpen waar spanning zich opbouwt in een zonnecel en het energieverlies veroorzaakt, wetenschappers moeten de onderliggende korrelstructuur van perovskietkristallen in de zonnecel visualiseren. Maar de beste aanpak is de zonnecel te bombarderen met hoogenergetische elektronen, die in wezen de zonnecel verbrandt en onbruikbaar maakt.

Onderzoekers van de Universiteit van Washington en het FOM-Instituut voor Atoom- en Moleculaire Fysica in Nederland hebben een manier ontwikkeld om de spanning in loodhalogenide-perovskiet-zonnecellen te verlichten zonder deze te beschadigen. Hun aanpak, online gepubliceerd 10 september in Joule , slaagde erin de korrelstructuur van een perovskiet-zonnecel in beeld te brengen, waaruit blijkt dat verkeerde oriëntatie tussen microscopisch kleine perovskietkristallen de belangrijkste bijdrage levert aan de opbouw van spanning in de zonnecel. Kristalmisoriëntatie zorgt voor kleinschalige defecten in de korrelstructuur, die het transport van elektronen binnen de zonnecel onderbreken en leiden tot warmteverlies via een proces dat bekend staat als niet-stralingsrecombinatie.

"Door onze optische beeldvorming te combineren met de nieuwe elektronendetector die bij FOM is ontwikkeld, we kunnen echt zien hoe de individuele kristallen zijn georiënteerd en in elkaar gezet in een perovskiet-zonnecel, " zei senior auteur David Ginger, een UW-hoogleraar chemie en hoofdwetenschapper aan het UW-gebaseerde Clean Energy Institute. "We kunnen aantonen dat de spanning zich opbouwt door de oriëntatie van de korrels, dat is informatie die onderzoekers kunnen gebruiken om de perovskietsynthese en productieprocessen te verbeteren om betere zonnecellen te realiseren met minimale belasting - en dus minimaal warmteverlies als gevolg van niet-stralingsrecombinatie."

Loodhalogenide perovskieten zijn goedkoop, afdrukbare kristallijne verbindingen die veelbelovend zijn als goedkope, aanpasbare en efficiënte alternatieven voor de silicium- of galliumarsenide-zonnecellen die tegenwoordig veel worden gebruikt. Maar zelfs de beste perovskiet-zonnecellen verliezen wat elektriciteit als warmte op microscopisch kleine locaties verspreid over de cel, wat de efficiëntie dempt.

Wetenschappers gebruiken al lang fluorescentiemicroscopie om de locaties op het oppervlak van perovskiet-zonnecellen te identificeren die de efficiëntie verminderen. Maar om de locaties van defecten te identificeren die het warmteverlies veroorzaken, onderzoekers moeten de ware korrelstructuur van de film in beeld brengen, volgens eerste auteur Sarthak Jariwala, een UW-promovendus in materiaalkunde en techniek en een Graduate Fellow van het Clean Energy Institute.

"Historisch, het in beeld brengen van de onderliggende ware korrelstructuur van de zonnecel is niet mogelijk geweest zonder de zonnecel te beschadigen, ' zei Jariwala.

Typische benaderingen om de interne structuur te bekijken, maken gebruik van een vorm van elektronenmicroscopie die elektronen-terugverstrooiingsdiffractie wordt genoemd, die normaal gesproken de zonnecel zou verbranden. Maar wetenschappers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Moleculaire Fysica, onder leiding van co-auteurs Erik Garnett en Bruno Ehrler, een verbeterde detector ontwikkeld die elektronen-backscatter-diffractiebeelden kan vastleggen bij lagere belichtingstijden, behoud van de zonnecelstructuur.

De afbeeldingen van perovskiet-zonnecellen uit Ginger's lab onthullen een korrelstructuur die lijkt op een droge bodem, met "scheuren" die de grenzen vertegenwoordigen tussen duizenden individuele perovskietkorrels. Met behulp van deze beeldgegevens, de onderzoekers konden voor het eerst de 3D-oriëntatie van kristallen in een functionerende perovskiet-zonnecel in kaart brengen. Ze konden ook bepalen waar een verkeerde uitlijning tussen kristallen spanning veroorzaakte.

Toen de onderzoekers afbeeldingen van de korrelstructuur van de perovskiet over elkaar legden met centra van niet-stralingsrecombinatie, die Jariwala in beeld heeft gebracht met behulp van fluorescentiemicroscopie, ze ontdekten dat niet-stralingsrecombinatie ook buiten zichtbare grenzen kan plaatsvinden.

"We denken dat spanning plaatselijk de perovskietstructuur vervormt en defecten veroorzaakt, "zei Ginger. "Deze defecten kunnen dan het transport van elektrische stroom binnen de zonnecel verstoren, het veroorzaken van niet-stralingsrecombinatie, zelfs elders op het oppervlak."

Hoewel het team van Ginger eerder methoden heeft ontwikkeld om enkele van deze defecten te "genezen", die dienen als centra van niet-stralingsrecombinatie in perovskiet-zonnecellen, idealiter zouden onderzoekers perovskietsynthesemethoden willen ontwikkelen die niet-stralingsrecombinatie volledig zouden verminderen of elimineren.

"Nu kunnen we strategieën onderzoeken zoals het beheersen van de korrelgrootte en oriëntatiespreiding tijdens het perovskietsyntheseproces, "zei Ginger. "Dat kunnen routes zijn om misoriëntatie en spanning te verminderen - en om te voorkomen dat defecten zich in de eerste plaats vormen."