Forskare vid materialavdelningen vid UC Santa Barbaras College of Engineering har upptäckt en viktig orsak till begränsningar av effektiviteten i en ny generation solceller.

Olika möjliga defekter i gittret hos vad som kallas hybridperovskiter hade tidigare ansetts vara den potentiella orsaken till sådana begränsningar, men det antogs att de organiska molekylerna (de komponenter som är ansvariga för den "hybrid" monikern) skulle förbli intakta. Banbrytande beräkningar har nu avslöjat att saknade väteatomer i dessa molekyler kan orsaka enorma effektivitetsförluster. Resultaten publiceras i en artikel med titeln "Minimering av vakanser för vätgas för att möjliggöra högeffektiva hybridperovskiter, " i numret av den 29 april av tidskriften Naturmaterial .

Den anmärkningsvärda fotovoltaiska prestandan hos hybridperovskiter har skapat en hel del spänning, med tanke på deras potential att främja solcellsteknik. "Hybrid" hänvisar till inbäddningen av organiska molekyler i ett oorganiskt perovskitgitter, som har en kristallstruktur som liknar den för perovskitmineralet (kalciumtitanoxid). Materialen uppvisar effektomvandlingseffektivitet som konkurrerar med kisel, men är mycket billigare att tillverka. Defekter i det kristallina perovskitgittret, dock, är kända för att skapa oönskad energispridning i form av värme, vilket begränsar effektiviteten.

Ett antal forskarlag har studerat sådana defekter, bland dem gruppen av UCSB material professor Chris Van de Walle, som nyligen fick ett genombrott genom att upptäcka en skadlig defekt på en plats som ingen hade tittat på tidigare:på den organiska molekylen.

"Metylammonium blyjodid är den prototypiska hybridperovskiten, "förklarade Xie Zhang, ledande forskare i projektet. "Vi fann att det är förvånansvärt lätt att bryta en av bindningarna och ta bort en väteatom på metylammoniummolekylen. Den resulterande "vätevakansen" fungerar sedan som en sänka för de elektriska laddningarna som rör sig genom kristallen efter att ha genererats av ljus som faller ned. på solcellen. När dessa laddningar fastnar vid den lediga tjänsten, de kan inte längre göra användbart arbete, som att ladda ett batteri eller driva en motor, därav förlusten i effektivitet. "

Forskningen möjliggjordes av avancerade beräkningstekniker utvecklade av Van de Walle-gruppen. Sådana toppmoderna beräkningar ger detaljerad information om det kvantmekaniska beteendet hos elektroner i materialet. Mark Turiansky, en senior doktorand i Van de Walles grupp som var involverad i forskningen, hjälpte till att bygga sofistikerade tillvägagångssätt för att omvandla denna information till kvantitativa värden för hastigheter för laddningsbärare.

"Vår grupp har skapat kraftfulla metoder för att avgöra vilka processer som orsakar effektivitetsförlust, " Turiansky sa, "och det är glädjande att se tillvägagångssättet ge sådana värdefulla insikter för en viktig klass av material."

"Beräkningarna fungerar som ett teoretiskt mikroskop som gör att vi kan titta in i materialet med mycket högre upplösning än vad som kan uppnås experimentellt, ", förklarade Van de Walle. "De utgör också en grund för rationell materialdesign. Genom försök och misstag, det har visat sig att perovskiter i vilka metylammoniummolekylen är ersatt med formamidinium uppvisar bättre prestanda. Vi kan nu tillskriva denna förbättring till det faktum att vätedefekter bildas mindre lätt i formamidiniumföreningen.

"Denna insikt ger en tydlig motivering för den empiriskt etablerade visdomen att formamidinium är avgörande för att realisera högeffektiva solceller, "tillade han." Baserat på dessa grundläggande insikter, forskarna som tillverkar materialen kan utveckla strategier för att undertrycka de skadliga defekterna, öka ytterligare effektivitetsförbättringar i solceller. "