Formamidinium-loodjodide is een zeer goed materiaal voor fotovoltaïsche cellen, maar het verkrijgen van de juiste stabiele kristalstructuur is een uitdaging. De tot nu toe ontwikkelde technieken hebben slechte resultaten opgeleverd. Echter, Rijksuniversiteit Groningen wetenschappers, onder leiding van hoogleraar fotofysica en opto-elektronica Maria Antonietta Loi, heb het nu gekraakt met een mes en een dompeloplossing. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift nanoschaal op 15 maart 2019.

Formamidinium-loodjodide (FAPbI ₃ ) is een perovskiet, een kristal met een kenmerkende structuur. Perovskieten zijn vernoemd naar een mineraal met de chemische formule ABX3. In een geïdealiseerde kubische eenheidscel, de X-positie wordt ingenomen door anionen die een octaëder vormen met een centraal kation in de B-positie terwijl de hoeken van de kubus worden ingenomen door de A-positiekationen (zie afbeelding).

Industriële productie

"Dit formamidinium-loodjodidemateriaal heeft zeer goede eigenschappen, maar het formamidinium-ion van de A-positie veroorzaakt instabiliteit in de structuur, " legt Loi uit. Driedimensionale films gemaakt van dit materiaal blijken meestal een mengsel te zijn van een fotoactieve en een foto-inactieve fase, dit laatste is nadelig voor de uiteindelijke toepassing. Loi stelde daarom haar Ph.D. student Sampson Adjokatse aan de slag om een ​​oplossing te vinden.

Na het testen van mogelijke strategieën, hij vond er een die werkte. "En vooral, een die schaalbaar is en kan worden gebruikt voor industriële productie, " zegt Loi. Immers, zonnecellen moeten in grote panelen worden geproduceerd en het is erg belangrijk om hiervoor een goede en goedkope techniek te vinden. Adjokatse begon met een andere perovskiet, waarin het formamidinium werd vervangen door een groter 2 fenylethylammoniummolecuul, en vormde daarbij een 2-D perovskiet. Dit materiaal werd afgezet als een dunne film met behulp van de "doctorblade"-techniek, gerelateerd aan technieken die veel worden gebruikt in industriële processen zoals printen.

Blad

"In principe, je verspreidt het materiaal met een mes op een ondergrond, " legt Adjokatse uit. Het blad kan worden ingesteld om een ​​film te produceren met een dikte van ongeveer 500 nanometer, het creëren van de 2D-perovskietlaag. "Het belangrijkste punt is dat deze films erg glad zijn met grote kristallijne domeinen tot 15 micrometer, ", zegt Adjokatse. De gladde 2-D-films op basis van 2-fenylethylammonium-loodjodide werden gebruikt als sjabloon om 3-D-formamidinium-loodjodide-films te produceren.

Dit werd bereikt door de 2-D film te dompelen in een oplossing die formamidiniumjodide bevatte. Dit resulteerde in de groei van een 3D-film door 'kationenuitwisseling, " waar formamidinium de plaats innam van 2 fenylethylammonium. "Deze films vertonen een veel hogere fotoluminescentie vergeleken met referentie 3-D formamidinium-loodjodidefilms en vertonen een verhoogde stabiliteit bij blootstelling aan licht of vocht, ", zegt Loi. "Dit betekent dat we nu een methode hebben voor de productie van hoogwaardige films voor perovskietzonnecellen met behulp van een industrieel schaalbare techniek."