För att förbättra effektiviteten hos solceller krävs material fria från föroreningar och strukturella defekter. Forskare från många discipliner vid KAUST har visat att 2D organisk-oorganiska hybridmaterial har mycket färre defekter än tjockare 3D-versioner.

Modern elektronik förlitar sig på teknologier som kan utveckla nästan perfekta kristaller av kisel; felfri till atomnivå. Detta är avgörande eftersom defekter och föroreningar sprider elektroner när de strömmar, vilket påverkar materialets elektroniska egenskaper negativt.

Men hybridperovskiter, en spännande klass av elektroniskt material, kan inte konstrueras med de epitaxial- eller skiktmetoder som utvecklats för kisel. Istället, de produceras med hjälp av lösningsbaserade processer. Även om detta gör dem billigare än kisel, det gör också renheten mycket svårare att uppnå eftersom defekt population och arter är känsliga för bearbetningsförhållandena.

Osman Bakr från KAUST Solar Center tillsammans med kollegor från flera divisioner över KAUST och University of Toronto, demonstrera att tvådimensionella lager av perovskitmaterial kan uppnå nivåer av renhet som är mycket högre än vad som är möjligt än i deras 3D-motsvarighet. "Tvådimensionella hybridperovskiter är en undergrupp av den stora hybridperovskitfamiljen, " förklarar Wei Peng, huvudförfattare och doktorsexamen från Bakrs labb. "De kan härledas genom att infoga stora organiska katjoner i tredimensionella perovskitstrukturer."

Hybridperovskiter består av bly- och halogenidatomer (som jod) och en organisk komponent. Denna klass av material i solceller har redan visat banbrytande potential för energiomvandlingseffektivitet samtidigt som de har låga produktionskostnader och möjlighet att integreras i flexibla enheter. Denna kombination av kvaliteter gör hybridperovskiter till ett spännande material för optoelektroniska applikationer.

Peng, Bakr och medarbetare skapade ett 2D-material gjord av periodiska lager av hybridperovskiter med en organisk komponent av antingen fenetylammonium eller metylammonium. Med hjälp av en lösningsbaserad tillverkningsmetod, skikten placerades på en guldelektrod så att teamet kunde mäta den elektriska ledningsförmågan.

Deras mätningar indikerar att 2D-materialen innehöll tre storleksordningar färre defekter än bulkhybridperovskiter. Teamet föreslår att denna minskning beror på att de stora organiska katjonerna i fenetylammonium undertrycker defektbildning under kristallisation.

Nästa, teamet visade potentialen för sina material för optoelektroniska tillämpningar genom att konstruera fotoledare med hög ljusdetektivitet. Dessa resultat bådar gott för ytterligare framsteg inom design och optimering av perovskitesolceller. "En framtida fördjupad studie om hur defektbildningen undertrycks kommer att hjälpa vår förståelse och gynna enhetens prestandainriktade materialteknik, säger Peng.