Zonnecellen met een rendement van meer dan 20% en geproduceerd tegen lage kosten – perovskieten maken dit mogelijk. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) hebben fundamenteel inzicht gekregen in de functie van perovskiet-zonnecellen. Ze ontdekten dat gebonden toestanden van elektron-gatparen zich kunnen vormen tijdens de absorptie van licht. Nog altijd, deze paren kunnen gemakkelijk worden gescheiden om stroom te laten vloeien. In aanvulling, ze verbeteren de absorptie. Het werk van de wetenschappers wordt gerapporteerd in het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven .

Perovskieten behoren tot de meest veelbelovende materialen voor zonnecellen:wanneer ze worden gebruikt, het hoge rendement kan worden gecombineerd met een goedkope productie. Het fotovoltaïsche onderzoek richt zich op halideperovskieten die zowel organische als anorganische verbindingen bevatten en, Vandaar, worden beschouwd als hybride halfgeleiders. "In minder dan een decennium deze perovskieten hebben een opmerkelijke ontwikkeling doorgemaakt. In de tussentijd, perovskiet zonnecellen zetten meer dan 20% van het invallende licht direct om in bruikbare stroom, " zegt fotovoltaïsche expert Dr. Michael Hetterich van KIT, die de samenwerking coördineert tussen het KIT en het Center for Solar Energy and Hydrogen Research Baden-Württemberg (ZSW). Het enorme potentieel van perovskieten blijkt ook uit tandemzonnecellen die een semitransparante perovskiet-topcel combineren met een silicium- of koper-indium-gallium-diselenide (CIGS)-bodemcel. Dit zorgt voor een optimaal gebruik van het zonnespectrum.

De huidige onderzoeksuitdagingen bestaan ​​uit het verbeteren van de stabiliteit op lange termijn van perovskiet-zonnecellen en het vervangen van het lood dat ze bevatten door milieuvriendelijkere elementen. Dit vereist diep inzicht in de structuur en functie van de perovskietlagen. Onderzoekers van het Institute of Applied Physics en het Light Technology Institute of KIT, evenals van ZSW en Ludwig-Maximilians-Universität München bestuderen de functie van dunne-laag tandem zonnecellen op basis van perovskieten onder de CISOVSKIT (ontwikkeling van zeer efficiënte hybride zonnecellen van CIGS en perovskietmaterialen) project gefinancierd door het federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF). En ze kregen nieuwe bevindingen met betrekking tot de fysieke aard van de optische overgangen. Dit wordt gerapporteerd in een "Aanbevolen artikel" van Technische Natuurkunde Brieven .

Optische overgangen zijn veranderingen van de energietoestand van elektronen in een materiaal door emissie (afgifte) of absorptie (opname) van fotonen, d.w.z. lichte deeltjes. In zijn proefschrift, Fabian Ruf, die werkt in de groep van professor Heinz Kalt, KIT, wijst erop dat de fundamentele optische overgang in zonnecellen met een methylammoniumloodjodideabsorbeerder, de klassieke halide perovskiet, is van excitonische aard. Dit betekent dat er zich excitonen kunnen vormen in de zonnecellen na absorptie van lichtdeeltjes. Excitonen zijn gebonden elektron-gat-paren die grotendeels de opto-elektronische eigenschappen bepalen. De bindingsenergie van de excitonen moet worden overwonnen om vrije ladingsdragers te verkrijgen en de stroom te laten vloeien.

Door middel van temperatuurafhankelijke elektroabsorptiespectroscopie, Fabian Ruf bestudeerde semitransparante zonnecellen met methylammonium-loodjodide-absorbeerders geproduceerd door Moritz Schultes van ZSW met een natte-chemische methode. De resultaten maken het mogelijk conclusies te trekken met betrekking tot excitonische overgangen over het volledige bestudeerde temperatuurbereik, van 10 Kelvin (-263°C) tot kamertemperatuur. Afhankelijk van de perovskiet-kristalstructuur die verandert met veranderende temperatuur, de excitonbindingsenergie bedraagt ​​ongeveer 26 en 19 milli-elektronvolt, respectievelijk. "Vandaar, de bindingsenergie is klein genoeg om voldoende thermische scheiding van ladingsdragers bij kamertemperatuur te verzekeren, " legt Michael Hetterich uit. "Bovendien, de excitonische effecten verbeteren de absorptie. Beide effecten samen zorgen voor een efficiënte werking van de perovskiet-zonnecel."