Perovskite solceller:Mulige aspekter af høj effektivitet afdækket

Solceller baseret på perovskiter har nået enormt høje virkningsgrader inden for få år. Dem med hybrid halogenid perovskit, materialer, der indeholder uorganiske og organiske komponenter, opnå særlig høj effektivitet, men mangler langsigtet stabilitet. Selvom uorganiske perovskit-halvledere, såsom CsPbI ₃ , er mindre effektive, de betragtes også som interessante, da de kan overvinde stabilitetsproblemerne ved hybride perovskitter.

Indtil nu, det blev antaget, at hybride og rent uorganiske perovskitter ikke adskiller sig fundamentalt i deres krystallinske struktur. Ved fremstilling af perovskitmaterialer, det sker ofte, at der ikke dannes store enkeltkrystaller, men i stedet utallige små tvillingekrystaller. Dette gør en krystalstrukturanalyse særligt kompliceret og udsat for fejl og lav præcision.

Et HZB-team ledet af Prof Susan Schorr og Dr. Joachim Breternitz har nu opnået et gennembrud i forståelsen af ​​den krystallinske struktur af hybridhalogenidperovskitter. Holdet undersøgte krystallinske prøver af methylammonium blyiodid (MAPbI ₃ ), den mest fremtrædende repræsentant for denne klasse af materialer, ved Diamond Light Source synchrotron (DLS) i Det Forenede Kongerige ved hjælp af højopløsnings enkeltkrystaldiffraktion. Denne tilgang gav data til en mere dybdegående analyse af den krystallinske struktur af dette materiale.

Holdet var også i stand til at afklare, om ferroelektriske effekter overhovedet er mulige i denne hybride halogenidperovskit. Ferroelektriske domæner kan have gunstige effekter i solceller og øge deres effektivitet. Imidlertid, Det er svært at måle denne effekt i prøver - et nulresultat kan betyde, at der enten ikke er nogen ferroelektrisk effekt, eller at de ferroelektriske domæner ophæver hinandens effekter.

"Fra et krystallografisk synspunkt, nogle betingelser er nødvendige for ferroelektricitet:en ferroelektrisk effekt kan kun opstå, hvis krystalstrukturen ikke indeholder et inversionscenter, og desuden, hvis den udviser et permanent polært øjeblik, " forklarer Breternitz.

Tidligere, det blev antaget, at krystalstrukturen af ​​MAPbI ₃ indeholdt et inversionscenter. Imidlertid, resultaterne af krystalstrukturanalysen viser, at dette ikke er tilfældet:"Den organiske methylammoniumkation MA+ spiller en stor rolle i dette, " forklarer Breternitz. Dette skyldes, at MA-molekylet ikke er sfærisk symmetrisk og også er betydeligt større end et enkelt atom, så det genererer et polært moment med de tilstødende jodatomer. Forekomsten af ​​ferroelektriske domæner i MAPbI ₃ er derfor muligt.

For uorganiske perovskitter, der inkorporerer et alkaliatom i stedet for MA-molekylet, denne mekanisme er ikke anvendelig. Det betyder, at de mere stabile uorganiske perovskitter grundlæggende kan være noget mere begrænset i deres effektivitet end deres hybridhalogenid-slægtninge.