Brint i hybridperovskiter er mindre uskyldigt, end det ser ud

Forskere i materialeafdelingen på UC Santa Barbara's College of Engineering har afsløret en væsentlig årsag til begrænsninger af effektiviteten i en ny generation af solceller.

Forskellige mulige defekter i gitteret af det, der er kendt som hybridperovskitter, var tidligere blevet betragtet som den potentielle årsag til sådanne begrænsninger, men det blev antaget, at de organiske molekyler (komponenterne, der er ansvarlige for den "hybride" moniker) ville forblive intakte. Avancerede beregninger har nu afsløret, at manglende brintatomer i disse molekyler kan forårsage massive effektivitetstab. Resultaterne er offentliggjort i et papir med titlen "Minimering af ledige brintpladser for at muliggøre højeffektive hybridperovskiter, " i bladets udgave af 29. april Naturmaterialer .

Den bemærkelsesværdige fotovoltaiske ydeevne af hybride perovskitter har skabt en masse spænding, givet deres potentiale til at fremme solcelleteknologi. "Hybrid" refererer til indlejring af organiske molekyler i et uorganisk perovskitgitter, som har en krystalstruktur svarende til perovskitmineralets (calciumtitaniumoxid). Materialerne udviser effektkonverteringseffektiviteter, der konkurrerer med silicium, men er meget billigere at producere. Defekter i perovskit krystallinske gitter, imidlertid, er kendt for at skabe uønsket energiafledning i form af varme, hvilket begrænser effektiviteten.

En række forskerhold har undersøgt sådanne defekter, blandt dem gruppen af ​​UCSB-materialeprofessor Chris Van de Walle, som for nylig opnåede et gennembrud ved at opdage en skadelig defekt et sted, ingen havde set før:på det organiske molekyle.

"Methylammonium blyiodid er den prototypiske hybrid perovskit, " forklarede Xie Zhang, ledende forsker på projektet. "Vi fandt ud af, at det er overraskende nemt at bryde en af ​​bindingerne og fjerne et brintatom på methylammoniummolekylet. Den resulterende 'brinttomgang' fungerer så som et synke for de elektriske ladninger, der bevæger sig gennem krystallen efter at være blevet genereret af lys, der falder ned. på solcellen. Når disse afgifter bliver fanget ved den ledige stilling, de kan ikke længere udføre nyttigt arbejde, opladning af et batteri eller strøm til en motor, derfor tabet i effektivitet."

Forskningen blev muliggjort af avancerede beregningsteknikker udviklet af Van de Walle-gruppen. Sådanne state-of-the-art beregninger giver detaljerede oplysninger om den kvantemekaniske opførsel af elektroner i materialet. Mark Turiansky, en senior kandidatstuderende i Van de Walles gruppe, som var involveret i forskningen, hjalp med at opbygge sofistikerede tilgange til at omdanne denne information til kvantitative værdier for rater for ladningsbærer-fældefangst.

"Vores gruppe har skabt effektive metoder til at bestemme, hvilke processer der forårsager effektivitetstab, " Turiansky sagde, "og det er glædeligt at se tilgangen give så værdifuld indsigt for en vigtig klasse af materialer."

"Beregningerne fungerer som et teoretisk mikroskop, der giver os mulighed for at kigge ind i materialet med meget højere opløsning, end der kan opnås eksperimentelt, " forklarede Van de Walle. "De danner også grundlag for rationelt materialedesign. Gennem forsøg og fejl, det har vist sig, at perovskitter, hvori methylammoniummolekylet er erstattet af formamidinium, udviser bedre ydeevne. Vi er nu i stand til at tilskrive denne forbedring det faktum, at brintdefekter dannes mindre let i formamidiniumforbindelsen.

"Denne indsigt giver en klar begrundelse for den empirisk etablerede visdom om, at formamidinium er afgørende for at realisere højeffektive solceller, " tilføjede han. "Baseret på disse grundlæggende indsigter, de videnskabsmænd, der fremstiller materialerne, kan udvikle strategier til at undertrykke de skadelige defekter, øger yderligere effektivitetsforbedringer i solceller."