Hybrid organiskt-oorganiskt perovskiter har redan visat höga solceller verkningsgrader på mer än 25 %. Den rådande visdomen på området är att de organiska (kol- och väteinnehållande) molekylerna i materialet är avgörande för att uppnå denna imponerande prestanda eftersom de tros undertrycka defektassisterad bärarrekombination.

Ny forskning vid UC Santa Barbaras materialavdelning har inte bara visat att detta antagande är felaktigt, men också att helt oorganiska material har potential att överträffa hybridperovskiter. Resultaten publiceras i artikeln "All-oorganiska halogenidperovskiter som kandidater för effektiva solceller, " som visas på omslaget till numret av den 20 oktober av tidskriften Cell Rapporter Fysisk Vetenskap .

"För att jämföra materialen, vi utförde omfattande simuleringar av rekombinationsmekanismerna, "förklarade Xie Zhang, huvudforskare i studien. "När ljus lyser på ett solcellsmaterial, de fotogenererade bärarna genererar en ström; rekombination vid defekter förstör några av dessa bärare och sänker därför effektiviteten. Defekter fungerar således som effektivitetsmördare. "

För att jämföra oorganiska och hybridperovskiter, forskarna studerade två prototypmaterial. Båda materialen innehåller bly- och jodatomer, men i ett material fullbordas kristallstrukturen av det oorganiska grundämnet cesium, medan i den andra, den organiska metylammoniummolekylen är närvarande.

Att reda ut dessa processer experimentellt är oerhört svårt, men state-of-the-art kvantmekaniska beräkningar kan exakt förutsäga rekombinationshastigheterna, tack vare ny metodik som utvecklades i gruppen av UCSB materialprofessor Chris Van de Walle, som krediterade Mark Turiansky, en senior doktorand i gruppen, med hjälp av att skriva koden för att beräkna rekombinationshastigheterna.

"Våra metoder är mycket kraftfulla för att avgöra vilka defekter som orsakar transportförlust, ", sa Turiansky. "Det är spännande att se tillvägagångssättet tillämpas på en av vår tids kritiska frågor, nämligen effektiv generering av förnybar energi."

Att köra simuleringarna visade att defekter som är gemensamma för båda materialen ger upphov till jämförbara (och relativt godartade) nivåer av rekombination. Dock, den organiska molekylen i hybridperovskiten kan brytas upp; när förlust av väteatomer inträffar, de resulterande "vakanserna" minskar kraftigt effektiviteten. Närvaron av molekylen är alltså en nackdel, snarare än en tillgång, till materialets totala effektivitet.

Varför, sedan, har detta inte uppmärksammats experimentellt? Främst för att det är svårare att odla högkvalitativa lager av de helt oorganiska materialen. De har en tendens att anta andra kristallstrukturer, och att främja bildningen av den önskade strukturen kräver större experimentell ansträngning. Ny forskning har visat, dock, att uppnå den föredragna strukturen är definitivt genomförbart. Fortfarande, svårigheten förklarar varför de helt oorganiska perovskiterna inte har fått så mycket uppmärksamhet hittills.

"Vi hoppas att våra resultat om den förväntade effektiviteten kommer att stimulera fler aktiviteter inriktade på att producera oorganiska perovskiter, avslutade Van de Walle.