Een materiaal met de perovskiet-kristalstructuur is erg populair geworden voor zonnecellen. Hoewel de meeste perovskieten anorganische verbindingen zijn, dit nieuwe materiaal is een hybride van relatief goedkope organische en anorganische materialen. In slechts een paar jaar tijd, onderzoekers hebben met deze perovskieten een opmerkelijke energieconversie-efficiëntie bereikt, vergelijkbaar met de beste beschikbare fotovoltaïsche materialen.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers uit Japan hebben de fysica onthuld voor hoe een belangrijk onderdeel van een perovskiet-zonnecel werkt - een bevinding die zou kunnen leiden tot verbeterde zonnecellen of zelfs nieuwere en betere materialen. Ze beschrijven hun experimenten in de uitgave van het tijdschrift van deze week Technische Natuurkunde Brieven .

"De belangrijkste onderzoeken waren gericht op het verbeteren van de efficiëntie van [zonnecellen] [met perovskiet], "Zei Kazuhiro Marumoto van de Universiteit van Tsukuba. "Maar het microscopische mechanisme achter [hoe] deze zonnecellen [met behulp van perovskieten werken] is niet volledig onderzocht."

Zonnecellen werken door lichtenergie om te zetten in elektriciteit. Als een foton de perovskiet raakt, bijvoorbeeld, het klopt een elektron los. De lege plek die door het elektron wordt ontruimd, wordt een gat genoemd, en werkt als een positief geladen deeltje. De daaropvolgende beweging van de elektronen en gaten is wat elektrische stroom genereert.

Omdat de perovskiet zelf de beweging van gaten niet goed geleidt, zonnecellen hebben een extra laag gatentransportmateriaal nodig om de stroom te vergemakkelijken. Een veelgebruikt materiaal voor het transport van gaten is een verbinding die spiro-OMeTAD wordt genoemd. Om de stroom nog meer op te krikken, onderzoekers voegen een lithiumzout genaamd LiTFSI toe aan spiro-OMeTAD. Dit proces wordt "doping" genoemd.

Spiro-OMeTAD is een amorf materiaal, wat het een aantal unieke eigenschappen geeft. De meeste vaste materialen hebben goed gedefinieerde elektronische energiebanden waarin elektronen en gaten kunnen bewegen om door het materiaal te transporteren. Kristallen, bijvoorbeeld, hebben vaak bandstructuren die een symmetrische stroom van zowel elektronen als gaten mogelijk maken. Maar amorfe materialen niet.

Door deze asymmetrische bandstructuur, gaten kunnen moeite hebben om door een amorf materiaal te reizen omdat ze vast kunnen komen te zitten in een bepaald energieniveau. Maar, volgens de theorie, doping spiro-OMeTAD met LiTFSI voorkomt dat de gaatjes vast komen te zitten.

In spiro-OMeTAD nemen elektronenparen elk energieniveau in beslag. Maar wanneer LiTFSI wordt geïntroduceerd, een van die elektronen wordt verwijderd, een gat op zijn plaats achterlatend. De aanwezigheid van dat gat voorkomt dat andere gaten vast komen te zitten op dat energieniveau, waardoor ze vrij kunnen bewegen en elektrische stroom kunnen genereren.

Eerder, niemand heeft dit proces bevestigd. Maar Marumoto en zijn collega's hebben nu elektronenspinresonantie (ESR) spectroscopie gebruikt om aan te tonen dat dit mechanisme, in feite, verantwoordelijk voor het verbeteren van het vermogen van spiro-OMeTAD om stroom te voeren.

ESR-spectroscopie meet de spin van enkele, ongepaarde elektronen, dat is wat wordt gecreëerd wanneer spiro-OMeTAD wordt gedoteerd met LiTFSI. Bij experimenten zonder licht, de onderzoekers ontdekten dat het aantal elektronenspins in spiro-OMeTAD met twee orden van grootte toenam na doping, bevestigt het effect van LiTFSI.

Om te zien hoe doping de efficiëntie van een perovskiet/spiro-OMeTAD-zonnecel beïnvloedt, de onderzoekers voerden vervolgens hun experimenten uit op de twee materialen die op elkaar lagen, met de lichten aan. Het licht zorgt ervoor dat gaten overgaan van perovskiet naar spiro-OMeTAD en elektrische stroom genereren. De onderzoekers ontdekten dat doping deze hole-transfer verhoogde, demonstreren hoe LiTFSI de efficiëntie van een zonnecel verbetert.