Team demonstrerer et stort løfte om helt uorganiske perovskit-solceller til forbedring af solcelleeffektiviteten

Hybride organisk-uorganiske perovskiter har allerede vist høj solcelleeffektivitet på mere end 25 %. Den fremherskende visdom på området er, at de organiske (kulstof- og brintholdige) molekyler i materialet er afgørende for at opnå denne imponerende ydeevne, fordi de menes at undertrykke defekt-assisteret bærerekombination.

Ny forskning i UC Santa Barbaras materialeafdeling har ikke kun vist, at denne antagelse er forkert, men også at helt uorganiske materialer har potentialet til at overgå hybridperovskiter. Resultaterne er publiceret i artiklen "All-inorganic halide perovskites as candidates for effektive solceller, " som vises på forsiden af ​​tidsskriftets 20. oktober-udgave Cell Rapporter Fysisk Videnskab .

"For at sammenligne materialerne, vi udførte omfattende simuleringer af rekombinationsmekanismerne, " forklarede Xie Zhang, ledende forsker på undersøgelsen. "Når lys skinner på et solcellemateriale, de fotogenererede bærere genererer en strøm; rekombination ved defekter ødelægger nogle af disse bærere og sænker dermed effektiviteten. Defekter virker således effektivitetsdræbere."

For at sammenligne uorganiske og hybride perovskitter, forskerne studerede to prototypematerialer. Begge materialer indeholder bly- og jodatomer, men i et materiale fuldendes krystalstrukturen af ​​det uorganiske grundstof cæsium, mens i den anden, det organiske methylammoniummolekyle er til stede.

At sortere disse processer fra eksperimentelt er ekstremt vanskeligt, men state-of-the-art kvantemekaniske beregninger kan præcist forudsige rekombinationshastighederne, takket være ny metodologi, der blev udviklet i gruppen af ​​UCSB materiale professor Chris Van de Walle, der krediterede Mark Turiansky, en senior kandidatstuderende i gruppen, med at hjælpe med at skrive koden til at beregne rekombinationshastighederne.

"Vores metoder er meget effektive til at bestemme, hvilke defekter der forårsager tab af transportør, " sagde Turiansky. "Det er spændende at se tilgangen anvendt på et af vores tids kritiske spørgsmål, nemlig effektiv produktion af vedvarende energi."

Kørsel af simuleringerne viste, at defekter, der er fælles for begge materialer, giver anledning til sammenlignelige (og relativt godartede) niveauer af rekombination. Imidlertid, det organiske molekyle i hybridperovskitten kan brydes op; når der sker tab af brintatomer, de resulterende "ledige stillinger" reducerer effektiviteten kraftigt. Tilstedeværelsen af ​​molekylet er således en ulempe, snarere end et aktiv, til materialets samlede effektivitet.

Hvorfor, derefter, er dette ikke blevet bemærket eksperimentelt? Hovedsageligt fordi det er sværere at dyrke højkvalitetslag af de helt uorganiske materialer. De har en tendens til at adoptere andre krystalstrukturer, og fremme af dannelsen af ​​den ønskede struktur kræver større eksperimentel indsats. Nyere forskning har vist, imidlertid, at opnåelse af den foretrukne struktur absolut er mulig. Stadig, vanskeligheden forklarer, hvorfor de helt uorganiske perovskitter ikke har fået så meget opmærksomhed til dato.

"Vi håber, at vores resultater om den forventede effektivitet vil stimulere flere aktiviteter rettet mod at producere uorganiske perovskiter, " konkluderede Van de Walle.