Onderzoekers van de Universiteit van Houston hebben de eerste verklaring gegeven voor hoe een materiaalklasse verandert tijdens de productie om licht efficiënter te absorberen, een cruciale stap naar grootschalige productie van betere en goedkopere zonnepanelen.

Het werk, deze maand gepubliceerd als het omslagverhaal voor nanoschaal , biedt een mechanismestudie van hoe een perovskiet-dunne film zijn microscopische structuur verandert bij zachte verwarming, zei Yan Yao, assistent-professor elektrische en computertechniek en hoofdauteur van het papier. Deze informatie is cruciaal voor het ontwerpen van een productieproces dat consistent zeer efficiënte zonnepanelen kan produceren.

Vorig jaar identificeerden Yao en andere onderzoekers de kristalstructuur van de niet-stoichiometrische tussenfase als het sleutelelement voor hoogrenderende perovskietzonnecellen. Maar wat er gebeurde tijdens de latere thermische gloeistap bleef onduidelijk. Het werk is fundamentele wetenschap, Yao zei, maar cruciaal voor het verwerken van efficiëntere zonnecellen.

"Anders, het is als een zwarte doos, " zei hij. "We weten dat bepaalde verwerkingsomstandigheden belangrijk zijn, maar we weten niet waarom."

Andere onderzoekers die bij het project betrokken zijn, zijn onder meer eerste auteur Yaoguang Rong, voorheen een postdoctoraal onderzoeker aan de UH en nu universitair hoofddocent aan de Huazhong University of Science and Technology in China; UH postdoctorale fellows Swaminathan Venkatesan en Yanan Wang; Jiming Bao, universitair hoofddocent elektrische en computertechniek aan de UH; Rui Guo en Wenzhi Li van de Florida International University, en Zhiyong Fan van de Hong Kong University of Science and Technology.

Yao is ook hoofdonderzoeker bij het Texas Center for Superconductivity aan de UH, die de financiering van het werk opleverde.

Het werk leverde ook een verrassing op:de materialen vertoonden een piekefficiëntie - de snelheid waarmee het materiaal licht omzet in elektriciteit - voordat de tussenfasetransformatie voltooid was, suggereert een nieuwe manier om de films te produceren om maximale efficiëntie te garanderen. Yao zei dat onderzoekers hadden verwacht dat de hoogste efficiëntie zou komen nadat het materiaal was omgezet in 100 procent perovskietfilm. In plaats daarvan, ze ontdekten dat de best presterende zonne-apparaten die waren waarvoor de conversie werd gestopt bij 18 procent van de tussenfase, vóór volledige conversie.

"We ontdekten dat de fasesamenstelling en morfologie van met oplosmiddelen ontwikkelde perovskietfilms sterk afhankelijk zijn van de verwerkingsomstandigheden en de fotovoltaïsche prestaties aanzienlijk kunnen beïnvloeden, " schreven de onderzoekers. "De sterke afhankelijkheid van verwerkingsomstandigheden wordt toegeschreven aan de moleculaire uitwisselingskinetiek tussen organische halidemoleculen en DMSO (dimethylsulfoxide) gecoördineerd in de tussenfase."

Perovskietverbindingen bestaan ​​gewoonlijk uit een hybride organisch-anorganisch materiaal op basis van lood of tinhalogenide en worden al enkele jaren nagestreefd als potentiële materialen voor zonnecellen. Yao zei dat hun voordelen het feit zijn dat de materialen kunnen werken als zeer dunne films - ongeveer 300 nanometer, vergeleken met tussen 200 en 300 micrometer voor siliciumwafels, het meest gebruikte materiaal voor zonnecellen. Perovskiet-zonnecellen kunnen ook worden geproduceerd door oplossingsverwerking bij temperaturen onder 150 graden Celsius (ongeveer 300 graden Fahrenheit), waardoor ze relatief goedkoop te produceren zijn.

Op hun best, perovskiet-zonnecellen hebben een efficiëntie van ongeveer 22 procent, iets lager dan die van silicium (25 procent). Maar de kosten van siliciumzonnecellen dalen ook dramatisch, en perovskietcellen zijn onstabiel in de lucht, snel efficiëntie verliezen. Ze bevatten meestal ook lood, een toxine.

Nog altijd, Yao zei, de materialen zijn veelbelovend voor de zonne-industrie, zelfs als het onwaarschijnlijk is dat ze silicium volledig zullen vervangen. In plaats daarvan, hij zei, ze kunnen worden gebruikt in combinatie met silicium, het verhogen van de efficiëntie tot 30 procent of zo.