Minder onschuldig dan het lijkt: waterstof in hybride perovskieten: onderzoekers identificeren het defect dat de prestaties van zonnecellen beperkt

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

Home > Media > Minder onschuldig dan het lijkt: waterstof in hybride perovskieten: onderzoekers identificeren het defect dat de prestaties van zonnecellen beperkt

Een waterstofvacature (de zwarte vlek links van het midden) gecreëerd door het verwijderen van waterstof uit een methylammoniummolecuul, houdt dragers vast in het prototypische hybride perovskiet, mehtylammoniumloodjodide CH3NH3Pbl3 CREDIT Xie Zhang

Abstract:
Onderzoekers op de materiaalafdeling van het College of Engineering van UC Santa Barbara hebben een belangrijke oorzaak van de efficiëntiebeperkingen bij een nieuwe generatie zonnecellen blootgelegd.

Minder onschuldig dan het lijkt: waterstof in hybride perovskieten: onderzoekers identificeren het defect dat de prestaties van zonnecellen beperkt

Santa Barbara, Californië | Geplaatst op 30 april 2021

Verschillende mogelijke defecten in het rooster van wat bekend staat als hybride perovskieten werden eerder beschouwd als de mogelijke oorzaak van dergelijke beperkingen, maar er werd aangenomen dat de organische moleculen (de componenten die verantwoordelijk zijn voor de 'hybride' naam) intact zouden blijven. Geavanceerde berekeningen hebben nu aangetoond dat ontbrekende waterstofatomen in deze moleculen enorme efficiëntieverliezen kunnen veroorzaken. De bevindingen zijn gepubliceerd in een paper met de titel "Minimaliseren van waterstofvacatures om zeer efficiënte hybride perovskieten mogelijk te maken", in het nummer van 29 april van het tijdschrift Nature Materials.

De opmerkelijke fotovoltaïsche prestaties van hybride perovskieten hebben voor veel opwinding gezorgd, gezien hun potentieel om de zonneceltechnologie vooruit te helpen. "Hybride" verwijst naar de inbedding van organische moleculen in een anorganisch perovskietrooster, dat een kristalstructuur heeft die vergelijkbaar is met die van het perovskietmineraal (calciumtitaanoxide). De materialen vertonen een vermogenconversie-efficiëntie die vergelijkbaar is met die van silicium, maar zijn veel goedkoper te produceren. Het is echter bekend dat defecten in het kristallijne rooster van perovskiet leiden tot ongewenste energiedissipatie in de vorm van warmte, wat de efficiëntie beperkt.

Een aantal onderzoeksteams hebben dergelijke defecten bestudeerd, waaronder de groep van UCSB-materiaalprofessor Chris Van de Walle, die onlangs een doorbraak bereikte door een schadelijk defect te ontdekken op een plek waar niemand eerder had gekeken: op het organische molecuul.

"Methylammoniumloodjodide is de prototypische hybride perovskiet", legt Xie Zhang, hoofdonderzoeker van het project, uit. “We ontdekten dat het verrassend eenvoudig is om een van de bindingen te verbreken en een waterstofatoom op het methylammoniummolecuul te verwijderen. De resulterende 'waterstofvacature' fungeert dan als een gootsteen voor de elektrische ladingen die door het kristal bewegen nadat ze zijn opgewekt door licht dat op de zonnecel valt. Wanneer deze ladingen bij de vacature terechtkomen, kunnen ze geen nuttig werk meer doen, zoals het opladen van een accu of het aandrijven van een motor, vandaar het verlies aan efficiëntie. ”

Het onderzoek werd mogelijk gemaakt door geavanceerde computationele technieken ontwikkeld door de Van de Walle-groep. Dergelijke state-of-the-art berekeningen geven gedetailleerde informatie over het kwantummechanische gedrag van elektronen in het materiaal. Mark Turiansky, een senior-student in de groep van Van de Walle die bij het onderzoek betrokken was, hielp bij het ontwikkelen van geavanceerde benaderingen om deze informatie om te zetten in kwantitatieve waarden voor de snelheden van trapping van ladingsdragers.

"Onze groep heeft krachtige methoden ontwikkeld om te bepalen welke processen efficiëntieverlies veroorzaken", zei Turiansky, "en het is verheugend om te zien dat de aanpak zulke waardevolle inzichten biedt voor een belangrijke klasse materialen."

“De berekeningen fungeren als een theoretische microscoop waarmee we met een veel hogere resolutie in het materiaal kunnen kijken dan experimenteel mogelijk is”, legt Van de Walle uit. “Ze vormen ook een basis voor een rationeel materiaalontwerp. Met vallen en opstaan is ontdekt dat perovskieten waarin het methylammoniummolecuul is vervangen door formamidinium, betere prestaties vertonen. We kunnen deze verbetering nu toeschrijven aan het feit dat waterstofdefecten zich minder gemakkelijk vormen in de formamidiniumverbinding.

"Dit inzicht biedt een duidelijke grondgedachte voor de empirisch vastgestelde wijsheid dat formamidinium essentieel is voor het realiseren van hoogrenderende zonnecellen", voegde hij eraan toe. "Op basis van deze fundamentele inzichten kunnen de wetenschappers die de materialen vervaardigen, strategieën ontwikkelen om de schadelijke defecten te onderdrukken en zo extra efficiëntieverbeteringen in zonnecellen te stimuleren."

###

Financiering voor dit onderzoek werd verstrekt door het Department of Energy Office of Science en Office of Basic Energy Sciences. De berekeningen zijn uitgevoerd bij het National Energy Research Scientific Computing Center.

####

Voor meer informatie, klik hier

Kontakte:
James Badham

@jochemmyjer

Als u een opmerking heeft, alstublieft Neem contact op met ons op.

Uitgevers van nieuwsberichten, niet 7th Wave, Inc. of Nanotechnology Now, zijn zelf verantwoordelijk voor de juistheid van de inhoud.

Bladwijzer: