Wetenschappers van de Universiteit van Cambridge die perovskietmaterialen bestuderen voor de volgende generatie zonnecellen en flexibele LED's, hebben ontdekt dat ze efficiënter kunnen zijn als hun chemische samenstelling minder geordend is. productieprocessen enorm vereenvoudigen en kosten verlagen.

De verrassende bevindingen, gepubliceerd in Natuurfotonica , zijn het resultaat van een samenwerkingsproject, geleid door Dr. Felix Deschler en Dr. Sam Stranks.

Het meest gebruikte materiaal voor de productie van zonnepanelen is kristallijn silicium, maar om een ​​efficiënte energieconversie te bereiken, is een duur en tijdrovend productieproces nodig. Het siliciummateriaal moet een sterk geordende wafelstructuur hebben en is erg gevoelig voor eventuele onzuiverheden, zoals stof, dus moet worden gemaakt in een schone kamer.

In het laatste decennium, perovskietmaterialen zijn naar voren gekomen als veelbelovende alternatieven.

De loodzouten die worden gebruikt om ze te maken, zijn veel overvloediger en goedkoper te produceren dan kristallijn silicium, en ze kunnen worden bereid in vloeibare inkt die eenvoudig wordt bedrukt om een ​​film van het materiaal te produceren.

De componenten die worden gebruikt om de perovskiet te maken, kunnen worden gewijzigd om de materialen verschillende kleuren en structurele eigenschappen te geven, bijvoorbeeld door de films andere kleuren te laten uitstralen of het zonlicht efficiënter op te vangen.

Je hebt maar een heel dunne film van dit perovskietmateriaal nodig - ongeveer duizend keer dunner dan een mensenhaar - om een ​​vergelijkbare efficiëntie te bereiken als de siliciumwafels die momenteel worden gebruikt, de mogelijkheid bieden om ze in ramen te verwerken of flexibel, ultralichte smartphoneschermen.

"Dit is de nieuwe klasse van halfgeleiders die een revolutie teweeg kan brengen in al deze technologieën, " zei Sascha Feldmann, een doctoraat student aan het Cavendish-laboratorium in Cambridge.

"Deze materialen vertonen een zeer efficiënte emissie wanneer je ze prikkelt met energiebronnen zoals licht, of pas een spanning toe om een ​​LED te laten werken.

"Dit is echt nuttig, maar het bleef onduidelijk waarom deze materialen die we in onze laboratoria verwerken zoveel grover dan deze cleanroom, zeer zuivere siliciumwafeltjes, presteren zo goed."

Wetenschappers hadden aangenomen dat zoals bij siliconenmaterialen, hoe meer geordend ze de materialen konden maken, hoe efficiënter ze zouden zijn. Maar Feldmann en haar mede-hoofdauteur Stuart MacPherson waren verrast toen ze ontdekten dat het tegenovergestelde waar was.

"De ontdekking was echt een grote verrassing, zei Deschler, die nu een Emmy-Noether-onderzoeksgroep leidt aan de TU München. "We doen veel spectroscopie om de werkingsmechanismen van onze materialen te onderzoeken, en vroegen zich af waarom deze echt chemisch rommelige films zo uitzonderlijk goed presteerden."

"Het was fascinerend om te zien hoeveel licht we van deze materialen konden krijgen in een scenario waarin we zouden verwachten dat ze behoorlijk donker zouden zijn, " zei MacPherson, een doctoraat student in het Cavendish-laboratorium. "Misschien moeten we niet verbaasd zijn als je bedenkt dat perovskieten het regelboek over prestaties in aanwezigheid van defecten en wanorde hebben herschreven."

De onderzoekers ontdekten dat hun ruwe, gelegeerde preparaten met meerdere componenten verbeterden de efficiëntie van de materialen door veel gebieden met verschillende samenstellingen te creëren die de geactiveerde ladingsdragers konden opsluiten, hetzij door zonlicht in een zonnecel, of een elektrische stroom in een LED.

"Het is eigenlijk vanwege deze ruwe verwerking en daaropvolgende ontmenging van de chemische componenten dat je deze valleien en bergen creëert in energie die ladingen naar beneden kunnen sluizen en zich concentreren in, "zei Feldmann. "Hierdoor zijn ze gemakkelijker te extraheren voor je zonnecel, en het is efficiënter om licht van deze hotspots in een LED te produceren."

Hun bevindingen kunnen een enorme impact hebben op het fabricagesucces van deze materialen.

"Bedrijven die grotere productielijnen voor perovskieten willen maken, hebben geprobeerd het probleem op te lossen hoe de films homogener te maken, maar nu kunnen we ze laten zien dat een eenvoudig inkjetprintproces beter zou kunnen werken, ’ zei Feldmann.

"De schoonheid van de studie ligt echt in de contra-intuïtieve ontdekking dat gemakkelijk te maken niet betekent dat het materiaal slechter zal zijn, maar kan eigenlijk beter."

"Het is nu een spannende uitdaging om fabricageomstandigheden te vinden die de optimale wanorde in de materialen creëren om maximale efficiëntie te bereiken, met behoud van de structurele eigenschappen die nodig zijn voor specifieke toepassingen, ’ zei Deschler.

"Als we de stoornis nog preciezer kunnen leren beheersen, we zouden verdere prestatieverbeteringen van LED's of zonnecellen kunnen verwachten - en zelfs veel verder gaan dan silicium met op maat gemaakte tandemzonnecellen die bestaan ​​uit twee perovskietlagen in verschillende kleuren die samen nog meer energie van de zon kunnen oogsten dan één laag alleen, " zei dr. Sam Stranks, Universitair docent energie aan het Cambridge Department of Chemical Engineering and Biotechnology en het Cavendish Laboratory.

Een andere beperking van perovskietmaterialen is hun gevoeligheid voor vocht, dus onderzoeken de groepen ook manieren om hun stabiliteit te verbeteren.

"Er is nog werk aan de winkel om ze op daken te laten blijven zoals silicium dat kan, maar ik ben optimistisch, ’ zei Stranken.