Zonnecellen zijn essentieel voor de groene energietransitie. Ze kunnen niet alleen worden gebruikt op daken en zonneparken, maar ook voor het aandrijven van autonome voertuigen, zoals vliegtuigen en satellieten. Fotovoltaïsche zonnecellen zijn momenteel echter zwaar en omvangrijk, waardoor ze moeilijk te transporteren zijn naar afgelegen locaties buiten het elektriciteitsnet, waar ze hard nodig zijn.

In een samenwerking onder leiding van Imperial College London, samen met onderzoekers van Cambridge, UCL, Oxford, Helmholtz-Zentrum Berlin in Duitsland en anderen, hebben onderzoekers materialen geproduceerd die vergelijkbare niveaus van zonlicht kunnen absorberen als conventionele siliciumzonnecellen, maar met 10.000 keer lagere dikte.

Het materiaal is natriumbismutsulfide (NaBiS₂ ), die als nanokristallen wordt gekweekt en uit een oplossing wordt afgezet om films met een dikte van 30 nanometer te maken. NaBiS₂ bestaat uit niet-toxische elementen die voldoende overvloedig aanwezig zijn in de aardkorst voor commercieel gebruik. Op bismut gebaseerde verbindingen worden bijvoorbeeld gebruikt als een niet-toxische loodvervanger in soldeer of in vrij verkrijgbare maagmedicijnen.

Yi-Teng Huang, Ph.D. student aan de Universiteit van Cambridge en mede-eerste auteur, merkte op dat ze "een materiaal hebben gevonden dat licht sterker absorbeert dan conventionele zonneceltechnologieën en dat met inkt kan worden geprint. Deze technologie heeft potentieel voor het maken van lichtgewicht zonnecellen die kunnen worden gemakkelijk te vervoeren of te gebruiken in ruimtevaarttoepassingen."

Voordelen van stoornis en natrium

Kritische factoren voor de sterke lichtabsorptie zijn de effecten van wanorde en de rol van natrium.

De natrium- en bismut-ionen in NaBiS₂ hebben vergelijkbare afmetingen, wat betekent dat ze in plaats van verschillende kristallografische locaties te bezetten (geordend), dezelfde locatie bezetten (ongeordend). Hierdoor verandert de kristalstructuur in steenzout, dat lijkt op tafelzout. Het natrium en bismut zijn echter niet gelijkmatig in het materiaal verdeeld, en deze (in)homogeniteit van wanorde tussen deze ionen heeft een significant effect op de absorptiesterkte.

Soortgelijke effecten werden gevonden in recent werk aan AgBiS₂ , maar NaBiS₂ heeft een sterker en scherper begin in lichtabsorptie. Dit komt omdat natrium, in tegenstelling tot zilver, niet bijdraagt ​​aan de elektronische toestanden rond de bandgap van de halfgeleider. Als gevolg hiervan is er een hogere concentratie van elektronische toestanden beschikbaar voor lichtabsorptie.

Seán Kavanagh, co-eerste auteur en Ph.D. student in de onderzoeksgroepen van Prof Aron Walsh in de afdeling Materialen van Imperial, en Prof David Scanlon van UCL, merkte op dat "wanorde al lang wordt gezien als de vijand van zonnecellen. Het is bekend dat het de efficiëntie in conventionele zonnematerialen zoals silicium ( Si), cadmiumtelluride (CdTe) en galliumarsenide (GaAs), onderzoekers hebben zich doorgaans gericht op het koste wat kost vermijden ervan. Dit werk, samen met andere recente onderzoeken van onze en andere groepen, toont aan dat dit niet noodzakelijk het geval is."

"Als we deze aandoening kunnen begrijpen en beheersen, kan het een krachtig hulpmiddel zijn om materiaaleigenschappen af ​​te stemmen en recordbrekende prestaties te leveren in een breed scala aan toepassingen, niet alleen zonnecellen maar bijvoorbeeld ook LED's en thermo-elektrische apparaten. Het is een opwindende ervaring vooruitzicht voor materiaalonderzoek."

Inzoomen op een biljoenste van een seconde

De onderzoekers ontdekten ook dat wanorde een significant en ongebruikelijk effect heeft op het transport van fotogegenereerde ladingen in het materiaal. Dit werd bestudeerd met behulp van spectroscopische technieken die processen onderzoeken die tot op een biljoenste van een seconde (picoseconde) plaatsvinden, evenals computationele modellering.

Deze studies toonden aan dat een inhomogene verdeling van natrium- en bismut-ionen resulteert in de vorming van gelokaliseerde elektronische toestanden, die snel ladingen opvangen. Deze ladingen leven tientallen microseconden in deze toestanden, wat minstens 100 keer langer is dan in andere nieuwe halfgeleiders. De ladingen zitten echter vast in deze staten en kunnen alleen bewegen door tussen staten te springen, wat uiteindelijk hun vermogen om te bewegen en als elektriciteit te winnen beperkt.

Ongebruikelijk ontdekten onderzoekers ook dat atoomdefecten een verwaarloosbare rol spelen in NaBiS₂ , omdat het vervoer van ladingen wordt gedomineerd door de effecten van deze gelokaliseerde staten. Deze resultaten tonen daarom het belang aan van het beheersen van de mate van wanorde en het begrijpen van de invloed op de elektronische toestanden in materialen.

Onderzoekers vonden ook NaBiS₂ stabiel in de lucht zijn gedurende de gehele duur van hun test van 11 maanden zonder enige inkapseling, wat in schril contrast staat met andere nieuwe fotovoltaïsche materialen, zoals loodhalogenide perovskieten. Dit suggereert de duurzaamheid van het materiaal in apparaten op lange termijn, wat een belangrijke vereiste is voor commerciële zonnecellen.

Veel nieuwe kansen

Onderzoekers voorzien dat deze bevindingen meer interesse zullen wekken in NaBiS₂ en soortgelijke materialen, vooral om de rol van kationenstoornis en de interacties tussen ladingen en het kristalrooster te begrijpen.

Dr. Robert Hoye, Senior Lecturer in de Department of Materials van Imperial College London en corresponderende auteur van het artikel, merkte op dat "dit zeer opwindende resultaten zijn die nieuwe wegen openen om de eigenschappen van zonne-energie oogstmachines te optimaliseren. NaBiS₂ behoort tot een intrigerende familie van materialen, en we hopen dat de nieuwe inzichten die in ons werk zijn gegenereerd, de ontdekking en selectie van een nieuwe generatie efficiënte en kosteneffectieve fotoactieve verbindingen zullen leiden." + Verken verder

Onregelmatige anorganische nanokristallen vestigen een nieuw efficiëntierecord voor ultradunne zonnecellen