Weniger unschuldig, als es aussieht: Wasserstoff in Hybrid-Perowskiten: Forscher identifizieren den Defekt, der die Leistung von Solarzellen einschränkt

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Eine Wasserstofflücke (der schwarze Fleck links von der Mitte), die durch die Entfernung von Wasserstoff aus einem Methylammoniummolekül entsteht, fängt Träger im prototypischen Hybridperowskit, Mehtylammoniumbleiodid CH3NH3Pbl3 CREDIT Xie Zhang, ein

Abstract:
Forscher der Materialabteilung des College of Engineering der UC Santa Barbara haben eine Hauptursache für die Einschränkung der Effizienz einer neuen Generation von Solarzellen entdeckt.

Weniger unschuldig als es aussieht: Wasserstoff in hybriden Perowskiten: Forscher identifizieren den Defekt, der die Leistung von Solarzellen einschränkt

Santa Barbara, CA | Veröffentlicht am 30. April 2021

Verschiedene mögliche Defekte im Gitter von sogenannten Hybridperowskiten wurden zuvor als mögliche Ursache für solche Einschränkungen angesehen, es wurde jedoch angenommen, dass die organischen Moleküle (die für den „Hybrid“ -Moniker verantwortlichen Komponenten) intakt bleiben würden. Neueste Berechnungen haben nun gezeigt, dass fehlende Wasserstoffatome in diesen Molekülen massive Effizienzverluste verursachen können. Die Ergebnisse werden in einem Artikel mit dem Titel „Minimierung von Wasserstoffleerstellen, um hocheffiziente Hybridperowskite zu ermöglichen“ in der Ausgabe der Zeitschrift Nature Materials vom 29. April veröffentlicht.

Die bemerkenswerte photovoltaische Leistung von Hybrid-Perowskiten hat aufgrund ihres Potenzials zur Weiterentwicklung der Solarzellentechnologie für große Aufregung gesorgt. "Hybrid" bezieht sich auf die Einbettung organischer Moleküle in ein anorganisches Perowskitgitter, das eine ähnliche Kristallstruktur wie das Perowskitmineral (Calciumtitanoxid) aufweist. Die Materialien weisen Leistungsumwandlungseffizienzen auf, die mit denen von Silizium konkurrieren, sind jedoch viel billiger herzustellen. Es ist jedoch bekannt, dass Defekte im Perowskit-Kristallgitter eine unerwünschte Energiedissipation in Form von Wärme erzeugen, was die Effizienz einschränkt.

Eine Reihe von Forschungsteams hat solche Defekte untersucht, darunter die Gruppe des UCSB-Materialprofessors Chris Van de Walle, der kürzlich einen Durchbruch erzielte, indem er einen schädlichen Defekt an einem Ort entdeckte, den noch niemand zuvor gesehen hatte: am organischen Molekül.

"Methylammonium-Bleiiodid ist der prototypische Hybrid-Perowskit", erklärte Xie Zhang, leitender Forscher des Projekts. „Wir haben festgestellt, dass es überraschend einfach ist, eine der Bindungen aufzubrechen und ein Wasserstoffatom am Methylammoniummolekül zu entfernen. Die resultierende "Wasserstoffleerstelle" dient dann als Senke für die elektrischen Ladungen, die sich durch den Kristall bewegen, nachdem sie durch auf die Solarzelle fallendes Licht erzeugt wurden. Wenn diese Ladungen im Leerstand hängen bleiben, können sie keine nützliche Arbeit mehr leisten, z. B. das Laden einer Batterie oder das Antreiben eines Motors, was zu einem Effizienzverlust führt. “

Die Forschung wurde durch fortgeschrittene Computertechniken ermöglicht, die von der Van de Walle-Gruppe entwickelt wurden. Solche Berechnungen nach dem Stand der Technik liefern detaillierte Informationen über das quantenmechanische Verhalten von Elektronen im Material. Mark Turiansky, ein leitender Doktorand in der Gruppe von Van de Walle, der an der Forschung beteiligt war, half dabei, ausgefeilte Ansätze zu entwickeln, um diese Informationen in quantitative Werte für die Rate des Ladungsträgereinfangens umzuwandeln.

"Unsere Gruppe hat leistungsstarke Methoden entwickelt, um festzustellen, welche Prozesse zu Effizienzverlusten führen", sagte Turiansky. "Es ist erfreulich, dass der Ansatz so wertvolle Erkenntnisse für eine wichtige Materialklasse liefert."

„Die Berechnungen dienen als theoretisches Mikroskop, mit dem wir mit einer viel höheren Auflösung in das Material blicken können, als dies experimentell möglich ist“, erklärte Van de Walle. „Sie bilden auch eine Grundlage für eine rationelle Materialgestaltung. Durch Versuch und Irrtum wurde gefunden, dass Perowskite, bei denen das Methylammoniummolekül durch Formamidinium ersetzt ist, eine bessere Leistung zeigen. Wir können diese Verbesserung nun auf die Tatsache zurückführen, dass sich Wasserstoffdefekte in der Formamidiniumverbindung weniger leicht bilden.

"Diese Erkenntnis liefert eine klare Begründung für die empirisch fundierte Weisheit, dass Formamidinium für die Realisierung hocheffizienter Solarzellen wesentlich ist", fügte er hinzu. "Basierend auf diesen grundlegenden Erkenntnissen können die Wissenschaftler, die die Materialien herstellen, Strategien entwickeln, um die schädlichen Defekte zu unterdrücken und zusätzliche Effizienzverbesserungen in Solarzellen zu erzielen."

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Die Finanzierung für diese Forschung erfolgte durch das Office of Science des Department of Energy und das Office of Basic Energy Sciences. Die Berechnungen wurden im National Energy Research Scientific Computing Center durchgeführt.

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Kontakte:
James Badham

@ucsantabarbara

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