Natuurkundigen van de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) hebben bewezen dat binnenkomend licht ervoor zorgt dat de elektronen in warme perovskieten roteren, waardoor de richting van de stroom van elektrische stroom wordt beïnvloed. Zo hebben ze de sleutel gevonden tot een belangrijk kenmerk van deze kristallen, die een belangrijke rol kunnen spelen bij de ontwikkeling van nieuwe zonnecellen. De resultaten zijn nu gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences .

De zon is een belangrijke bron van duurzame energie. De stralingsenergie zorgt voor warmte, en zonlicht kan worden omgezet in elektriciteit dankzij fotovoltaïsche energie. Perovskieten, kristallijne verbindingen die eenvoudig kunnen worden vervaardigd met behulp van chemische processen, worden beschouwd als een veelbelovend materiaal voor fotovoltaïsche energie. Onder laboratoriumomstandigheden, prototypes hebben verrassende niveaus van efficiëntie bereikt.

Er is weinig kennis over waarom perovskieten precies zo krachtig zijn. "Twee factoren zijn bepalend voor het kostenefficiënt opwekken van elektrische energie uit zonlicht, " zegt Dr. Daniel Niesner van de leerstoel Solid State Physics aan de FAU. "Aan de ene kant, het licht moet zoveel mogelijk elektronen aanslaan in een zo dun mogelijke laag. Op de andere, de elektronen moeten zo vrij mogelijk kunnen stromen naar de elektroden die de stroom opnemen."

Onderzoekers vermoeden dat perovskieten bijzonder goed gebruik maken van de rotatie van elektronen voor een efficiënte stroomstroom. "Elk elektron heeft spin, vergelijkbaar met de intrinsieke rotatie van een biljartbal, " legt Niesner uit. "Zoals het geval is met biljartballen, waarbij links of rechts draaien wanneer ze worden geraakt met de keu leidt tot een gebogen pad op de tafel, wetenschappers hebben vermoed dat rotatie en voorwaartse beweging in elektronen in perovskieten ook met elkaar kunnen worden verbonden."

Ordelijke atomaire structuur

Natuurkundigen van de FAU in Erlangen hebben dit vermoeden nu voor het eerst bevestigd. In hun experimenten, ze gebruikten een laser waarvan het licht ook spin of een draairichting heeft. Het resultaat:als een kristal wordt blootgesteld aan licht met een linker spin, de elektronen bewegen naar links. Als de richting van het licht wordt omgekeerd, de richting van de elektronenstroom keert ook om. "De experimenten tonen duidelijk aan dat de draairichting van de elektronen en de stroomrichting met elkaar verbonden zijn."

Tot nu, wetenschappers veronderstelden dat de atomaire structuur van perovskieten te 'ordelijk' was voor dergelijk gedrag. In feite, experimenten met gekoelde perovskietkristallen laten slechts een zeer zwak verband zien tussen de draairichting van de elektronen en de stroomrichting. "Dit verandert, echter, wanneer de kristallen worden verwarmd tot kamertemperatuur omdat de beweging van de atomen leidt tot fluctuerende afwijkingen van de sterk geordende structuur, " zegt Nieser. "Door de hitte kunnen de kristallen van perovskiet de draairichting en de stroom van de elektronen met elkaar verbinden. Een 'normaal' kristal zou dat niet kunnen."

De ontdekking van het verband tussen warmte en spin in elektronen betekent dat de FAU-onderzoekers een essentieel aspect van de ongewone stroom van stroom in perovskieten hebben blootgelegd. Hun werk zou kunnen bijdragen aan een beter begrip van de hoge energie-efficiëntie van deze kristallen en aan de ontwikkeling van nieuwe materialen voor fotovoltaïsche energie in de toekomst.