Zonnecellen gemaakt met films die de structuur van het mineraal perovskiet nabootsen, vormen de focus van wereldwijd onderzoek. Maar nu pas hebben onderzoekers van Case Western Reserve University direct laten zien dat de films een belangrijke eigenschap hebben waardoor ze zonlicht efficiënt kunnen omzetten in elektriciteit.

Het identificeren van dat kenmerk kan leiden tot efficiëntere zonnepanelen.

Elektronen die worden gegenereerd wanneer licht op de film valt, worden niet beperkt door korrelgrenzen - de randen van kristallijne subeenheden in de film - en leggen lange afstanden af ​​zonder te verslechteren, toonden de onderzoekers aan. Dat betekent dat elektrische ladingsdragers die in andere materialen vast komen te zitten en vervallen, in plaats daarvan beschikbaar zijn om als stroom te worden afgenomen.

De wetenschappers maten voor het eerst rechtstreeks de afgelegde afstand - diffusielengte genaamd - met behulp van de techniek genaamd 'ruimtelijk gescande fotostroom-beeldvormingsmicroscopie'. Diffusielengte binnen een goed georiënteerde perovskietfilm gemeten tot 20 micrometer.

De bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters , geven aan dat zonnecellen dikker kunnen worden gemaakt zonder hun efficiëntie aan te tasten, zei Xuan Gao, universitair hoofddocent natuurkunde en auteur van het artikel.

"Een dikkere cel kan meer licht absorberen, " hij zei, "mogelijk een betere zonnecel opleveren."

Ingebouwde efficiëntie

Zonne-energieonderzoekers geloven dat perovskietfilms veelbelovend zijn. In minder dan vijf jaar, films gemaakt met de kristallijne structuur hebben een efficiëntie van 20 procent overtroffen bij het omzetten van zonlicht in elektriciteit, een merk dat tientallen jaren duurde om te bereiken met zonnecellen op basis van silicium die tegenwoordig worden gebruikt.

In dit onderzoek, Gao's lab voerde ruimtelijk gescande fotostroom-beeldmetingen uit op films gemaakt in het lab van Clemens Burda, hoogleraar scheikunde van Case Western Reserve.

Perovskietmineralen die in de natuur worden gevonden, zijn oxiden van bepaalde metalen, maar Burda's lab maakte organo-metaalfilms met dezelfde kristalstructuur met behulp van methylammoniumloodtrijodide (CH3NH3PBI3), een driedimensionaal loodhalogenide omgeven door kleine organische methylammoniummoleculen die de roosterstructuur bij elkaar houden.

"De vraag was 'Hoe zijn deze zonnecellen zo efficiënt? Als we het zouden weten, we zouden perovskiet-zonnecellen verder kunnen verbeteren", zei Burda. "Mensen dachten dat het te wijten kon zijn aan ongewoon lang elektronentransport, en we hebben het direct gemeten."

Diffusielengte is de afstand een elektron of het tegenovergestelde, een gat genoemd, reist van generatie totdat het recombineert of wordt geëxtraheerd als elektrische stroom. De afstand is gelijk aan de transportlengte wanneer er geen elektrisch veld (dat meestal de afgelegde afstand vergroot) wordt toegepast.

Reizen meten

De laboratoria voerden herhaalde metingen uit door een klein laservlekje te focussen op films van 8 vierkante millimeter bij 300 nanometer dik. De films werden stabiel gemaakt door het perovskiet te bekleden met een laag van het polymeer paryleen.

Het licht genereert elektronen en gaten en de fotostroom, of stroom van elektronen, wordt opgenomen tussen de elektroden die ongeveer 120 micron van elkaar verwijderd zijn, terwijl de film langs twee loodrechte richtingen wordt gescand. Het scannen levert een tweedimensionale ruimtelijke kaart op van dragerdiffusie en transportkenmerken.

De metingen toonden een diffusielengte van gemiddeld ongeveer 10 micron. In sommige gevallen, de lengte bereikte 20 micron, waaruit blijkt dat het functionele gebied van de film minstens 20 micron lang is, aldus de onderzoekers.

Bij sommige materialen is korrelgrenzen verminderen de geleidbaarheid, maar beeldvorming toonde aan dat deze interfaces tussen korrels in de film geen invloed hadden op de elektronenreis. Gao en Burda zeggen dat dit kan zijn omdat de korrels in de film goed uitgelijnd zijn, veroorzaakt geen impedantie of andere nadelige effecten op elektronen of gaten.

Burda en Gao zoeken nu federale fondsen om de microscopietechniek te gebruiken om te bepalen of verschillende korrelgroottes, oriëntaties, halide perovskiet samenstellingen, filmdiktes en meer veranderen de eigenschappen van de film, onderzoek in het veld verder te versnellen.