Vrije ladingsdragers in perovskietzonnecellen hebben waarschijnlijk een speciale vorm van bescherming tegen recombinatie, ontdekten onderzoekers van Forschungszentrum Jülich door middel van innovatieve fotoluminescentiemetingen.

Zeer efficiënt en relatief goedkoop te produceren:perovskietzonnecellen zijn de afgelopen jaren herhaaldelijk het onderwerp geweest van verrassingen. Wetenschappers van het Forschungszentrum Jülich hebben nu een ander bijzonder kenmerk van de cellen ontdekt met behulp van een nieuwe fotoluminescentie-meettechniek.

Ze ontdekten dat het verlies van ladingsdragers in dit type cel andere natuurkundige wetten volgt dan die welke voor de meeste halfgeleiders bekend zijn. Dit kan een van de belangrijkste redenen zijn voor hun hoge efficiëntieniveau. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Materials .

Perovskiet-zonnecellen worden als veelbelovend beschouwd voor fotovoltaïsche zonne-energie, ook al laat hun stabiliteit veel te wensen over. Cellen van dit type zijn goedkoop te printen en zeer efficiënt. De afgelopen tien jaar is hun rendement verdubbeld tot ruim 25% en is daarmee momenteel vergelijkbaar met conventionele zonnecellen uit silicium. Ook in de toekomst lijken verdere verbeteringen mogelijk.

“Een belangrijke factor hierbij is de vraag hoe lang opgewonden ladingsdragers in het materiaal blijven, met andere woorden:hun levensduur”, legt Thomas Kirchartz uit. "Het begrijpen van de processen is cruciaal voor het verder verbeteren van de efficiëntie van op perovskiet gebaseerde zonnecellen." De elektrotechnisch ingenieur staat aan het hoofd van een werkgroep over organische en hybride zonnecellen bij het Instituut voor Energie en Klimaatonderzoek van Forschungszentrum Jülich (IEK-5).

Het is de levensduur die telt

In een zonnecel worden elektronen losgemaakt door fotonen en naar een hoger energieniveau gebracht van de valentieband naar de geleidingsband. Alleen dan kunnen ze vrijer bewegen en door een extern circuit stromen. Ze kunnen alleen bijdragen aan de opwekking van elektrische energie als hun levensduur lang genoeg is om door het absorbermateriaal naar het elektrische contact te gaan. Een aangeslagen elektron laat ook een gat achter in de onderliggende valentieband:een mobiele vacature die als een positieve ladingsdrager door het materiaal kan worden bewogen.

Het zijn vooral defecten in het kristalrooster die ervoor zorgen dat aangeslagen elektronen snel weer terugvallen naar lagere energieniveaus. De getroffen elektronen kunnen dan niet meer bijdragen aan de stroom. "Dit mechanisme staat ook wel bekend als recombinatie en is het belangrijkste verliesproces van elke zonnecel", zegt Kirchartz.

Recombinatie cruciaal voor efficiëntie

Geen enkele zonnecel is perfect op atomair niveau; elk exemplaar heeft verschillende soorten defecten als gevolg van het productieproces. Deze defecten of vreemde atomen in de roosterstructuur zijn de verzamelpunten waar elektronen en gaten de neiging hebben samen te komen. De elektronen vallen dan terug in de valentieband en worden waardeloos in termen van elektriciteitsopwekking.

‘Eerder werd aangenomen dat recombinatie voornamelijk wordt veroorzaakt door defecten die energetisch in het midden tussen de valentie- en geleidingsbanden liggen. Dit komt omdat deze diepe defecten op dezelfde manier toegankelijk zijn voor aangeslagen elektronen en hun tegenhangers, de gaten’, zegt Kirchartz. Dit geldt waarschijnlijk voor de meeste typen zonnecellen.

Ondiepe defecten domineren

Kirchartz en zijn team hebben deze aanname voor perovskietzonnecellen nu echter weerlegd en aangetoond dat de oppervlakkige defecten uiteindelijk doorslaggevend zijn voor hun uiteindelijke efficiëntie. In tegenstelling tot de diepe defecten bevinden ze zich niet in het midden van de bandafstand, maar zeer dicht bij de valentie- of geleidingsband.

"De oorzaak van dit ongewone gedrag is nog niet volledig opgehelderd", voegt Kirchartz toe. "Het is redelijk om aan te nemen dat er in deze materialen eenvoudigweg geen diepe defecten kunnen voorkomen. Deze beperking kan ook een van de redenen zijn voor de bijzonder hoge efficiëntie van de cellen."

Nieuwe HDR-meettechniek met groter dynamisch bereik

De waarneming werd alleen mogelijk gemaakt door innovatieve transiënte fotoluminescentiemetingen. Bij eerdere metingen was het niet mogelijk om verliesprocessen veroorzaakt door oppervlakkige defecten te onderscheiden van verliezen veroorzaakt door andere factoren.

De nieuwe meetmethode ontwikkeld door Thomas Kirchartz en zijn team bij Forschungszentrum Jülich levert gegevens op met een aanzienlijk groter dynamisch bereik in vergelijking met conventionele technologie, dat wil zeggen gegevens over een groter meetbereik en met een betere fijne gradatie. Het proces is gebaseerd op een soortgelijk principe als HDR-afbeeldingen met een hoge dynamische bereikkwaliteit. Het dynamische bereik van de camera wordt vergroot door verschillende beelden of metingen (in dit geval signalen met verschillende versterkingsniveaus) over elkaar heen te leggen om een ​​dataset te creëren.

Meer informatie: Ye Yuan et al, Ondiepe defecten en variabele vervaltijden van fotoluminescentie tot 280 µs in perovskieten met drie kationen, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01771-2

Journaalinformatie: Natuurmaterialen

Aangeboden door Forschungszentrum Juelich