Fladere materialer har færre ufuldkommenheder, hvilket giver bedre solceller og lyssensorer

Forbedring af solcellernes effektivitet kræver materialer fri for urenheder og strukturelle defekter. Forskere på tværs af mange discipliner på KAUST har vist, at 2-D organisk-uorganiske hybridmaterialer har langt færre defekter end tykkere 3-D versioner.

Moderne elektronik er afhængig af teknologier, der kan udvikle næsten perfekte krystaller af silicium; fejlfri til atomniveau. Dette er afgørende, fordi defekter og urenheder spreder elektroner, mens de strømmer, hvilket påvirker materialets elektroniske egenskaber negativt.

Men hybride perovskitter, en spændende klasse af elektronisk materiale, kan ikke konstrueres ved hjælp af epitaksial- eller lagmetoderne udviklet til silicium. I stedet, de produceres ved hjælp af løsningsbaserede processer. Selvom dette gør dem billigere end silicium, det gør også renhed meget sværere at opnå, da defekte populationer og arter er følsomme over for forarbejdningsforholdene.

Osman Bakr fra KAUST Solar Center sammen med kolleger fra flere afdelinger på tværs af KAUST og University of Toronto, demonstrere, at todimensionelle lag af perovskitmateriale kan opnå renhedsniveauer meget højere, end det er muligt end i deres 3-D modstykke. "Todimensionelle hybridperovskitter er en undergruppe af den store hybridperovskitfamilie, " forklarer Wei Peng, hovedforfatter og doktorgradsmodtager fra Bakrs laboratorium. "De kan udledes ved at indsætte store organiske kationer i tredimensionelle perovskitstrukturer."

Hybride perovskitter består af bly- og halogenidatomer (såsom jod) og en organisk komponent. Denne klasse af materialer i solceller har allerede vist banebrydende potentiale for energikonverteringseffektivitet, samtidig med at de har lave produktionsomkostninger og mulighed for at blive integreret i fleksible enheder. Denne kombination af kvaliteter gør hybridperovskiter til et spændende materiale til optoelektroniske applikationer.

Peng, Bakr og kolleger skabte et 2-D-materiale lavet af periodiske lag af hybridperovskiter med en organisk komponent af enten phenethylammonium eller methylammonium. Ved at bruge en løsningsbaseret fremstillingsmetode, lagene blev placeret på en guldelektrode, så holdet kunne måle den elektriske ledningsevne.

Deres målinger indikerer, at 2-D-materialerne indeholdt tre størrelsesordener færre defekter end bulkhybridperovskitter. Holdet foreslår, at denne reduktion skyldes, at de store organiske kationer i phenethylammonium undertrykker defektdannelse under krystallisation.

Næste, holdet demonstrerede potentialet for deres materialer til optoelektroniske applikationer ved at konstruere fotoledere med høj lysdetektivitet. Disse resultater lover godt for yderligere fremskridt inden for design og optimering af perovskit-solceller. "En fremtidig dybdegående undersøgelse af, hvordan defektdannelsen undertrykkes, vil hjælpe vores forståelse af og gavne enhedens ydeevnemålrettede materialeteknologi, " siger Peng.