Fotovoltaïsche conversie wordt beschouwd als de ultieme oplossing voor de groeiende vraag naar energie, toch zijn traditionele op silicium gebaseerde zonnecellen duur om te produceren, en de productie zelf gaat gepaard met intensief energieverbruik. Opkomende hybride organisch-anorganische zonnecellen op basis van perovskiet CH ₃ NH ₃ PbI ₃ , anderzijds, zijn niet alleen goedkoop te verwerken, maar ook flexibel, en worden daarom op grote schaal nagestreefd als een van de meest veelbelovende fotovoltaïsche conversietechnologieën van de volgende generatie.

Sinds de eerste melding in 2009 de fotovoltaïsche conversie-efficiëntie van perovskiet-zonnecellen is in slechts zeven jaar spectaculair gestegen van 3,81 procent naar 22,1 procent, en deze ongekende stijging heeft het wereldwijde streven naar nieuwe efficiëntierecords aangewakkerd. Hoe dan ook, in de afgelopen twee jaar, het tempo van de efficiëntiewinsten van perovskietzonnecellen is aanzienlijk vertraagd, ondanks de afstand van de verwachte theoretische limiet van 31 procent. Daarom, onderzoekers onderzoeken nieuwe strategieën om de prestaties van perovskietzonnecellen verder te verbeteren.

De huidige perovskiet zonnecellen zijn gebaseerd op polykristallijn CH ₃ NH ₃ PbI ₃ films, en hebben dus onvermijdelijk veel defecten in korrels en korrelgrenzen die de prestaties van het apparaat beïnvloeden. Onderzoekers hebben zich ingespannen om CH . in bulk te produceren ₃ NH ₃ PbI ₃ kristallen die uitzonderlijke fotovoltaïsche eigenschappen vertonen, zoals een lange diffusielengte en levensduur van fotogegenereerde ladingsdragers, hoewel de integratie van bulkkristal in de perovskiet-zonnecelarchitectuur een uitdaging is gebleken.

Nutsvoorzieningen, een team van Chinese en Amerikaanse wetenschappers onder leiding van profs. Jiangyu Li en Jinjin Zhao hebben met succes monokristallijn CH . gekweekt ₃ NH ₃ PbI ₃ film direct op elektronen verzamelend FTO/TiO2-substraat, zoals getoond in Fig. 1. Ze maakten gebruik van de temperatuurgradiënt en het capillaire effect tijdens het groeiproces, waardoor ze hoogwaardige eenkristallijne film kunnen produceren die nauw is geïntegreerd op FTO/TiO2. Dit blijkt kritisch, aangezien FTO/TiO2 het meest gebruikte elektronenverzamelsubstraat is voor perovskietzonnecellen, waardoor de daaropvolgende fabricage van apparaten eenvoudig is.

Inderdaad, de eenkristallijne CH ₃ NH ₃ PbI ₃ film vertoont uitstekende fotovoltaïsche eigenschappen. Direct gemeten op een FTO-glassubstraat met slechte elektronenextractie, de in de tijd opgeloste fotoluminescentie heeft een veel langere levensduur van de drager in enkelkristallijn CH ₃ NH ₃ PbI ₃ film in vergelijking met polykristallijne film, zoals te zien in figuur 2 (a). Wanneer een TiO2-elektronenverzamelende laag aan het FTO-glas wordt toegevoegd, dan daalt de levensduur van de ladingsdrager aanzienlijk, dankzij efficiënte elektronenextractie aan de TiO2/perovskiet-interface. Als resultaat, het apparaat vertoont een fotovoltaïsche conversie-efficiëntie van 8,78 procent, de hoogste tot nu toe gerapporteerd voor een enkele kristallijne perovskiet zonnecel. Het team zegt dat het systeem veel ruimte heeft voor verbetering, en met continue optimalisatie van materialen en apparaten, ze geloven dat de enkelkristallijne perovskiet-zonnecellen in de nabije toekomst zullen wedijveren met hun polykristallijne tegenhangers.