En syntetisk metod utvecklad av KAUST-forskare genererar homogena och defektfria kristaller som kan påskynda kommersialiseringen av perovskitsolceller.

"Perovskite solceller är den snabbast utvecklande typen av solcellsteknik, med effektomvandlingseffektiviteter som stiger från 3,8 procent 2009 till 24,2 procent 2019 för enheter med en korsning, " säger Osman Bakr, som ledde studien med Omar Mohammed. Denna snabba ökning av prestanda är förknippad med billig och enkel tillverkning av enheter, vilket gör dessa solceller kommersiellt tilltalande.

Solcellernas prestanda och stabilitet beror på morfologin hos de tunna perovskitfilmerna, som fungerar som ljusskördande lager i enheterna. Förutom deras låga kostnad och enkla bearbetning, dessa material har exceptionella optiska och transportegenskaper. Hybridblybaserade perovskiter som kombinerar en metylammoniumkatjon med flera halogenider, såsom de anjoniska formerna av brom och jod, uppvisa ett smalt och avstämbart optiskt bandgap. Detta bandgap närmar sig det teoretiska värdet som krävs för att nå den maximala omvandlingseffektiviteten för en solcell med en enda korsning. Därför, perokskites skulle kunna bli ett alternativ för kiselbaserade solenergimaterial.

Dock, befintliga perovskitsolceller består vanligtvis av polykristallina tunna filmer som är mycket oordnade och defekta, vilket hindrar enheter från att uppnå optimal prestanda.

För att lösa detta problem, Bakr och Mohammed har nu producerat högt bildförhållande, enkristallfilmer av metylammoniumblytrijodidperovskiter. De uppnådde detta genom att starta kristallisationen mellan två polymerbelagda substrat som sedan fysiskt skulle begränsa kristalltillväxten till en dimension under uppvärmning.

Jämfört med deras polykristallina motsvarigheter, enkristallperovskiter uppvisar avsevärt lägre defektdensitet och mycket högre laddningsbärares diffusionslängder:detta är ett mått på deras förmåga att hålla ljusgenererade elektroner åtskilda från positivt laddade hål och skapa elektrisk ström. Därför, "Vi resonerade att dessa enkristaller erbjuder en chans för perovskite solcellsteknologi att övervinna dessa begränsningar och komma så nära den teoretiska effektivitetsgränsen som möjligt, " säger Mohammed.

Kristallerna, som uppvisade en tjocklek av 20 mikrometer och en yta på flera kvadratmillimeter, tillhandahållit högkvalitativa solceller med en maximal effektomvandlingseffektivitet på 21,09 procent. Dessa enheter sätter ett nytt prestandarekord för perovskite enkristallsolceller.

"Vi blev positivt överraskade av dessa resultat, " säger Bakr. Han tillägger att forskarna först trodde att de skulle behöva växa kristaller mycket tunnare än 20 mikrometer för att uppnå denna prestanda, och att odla tunna kristaller är extremt utmanande.

Forskarna tror att denna rekordeffektivitet belyser den potentiella rollen för enkristaller i utvecklingen av perovskit-innehållande enheter parallellt med den väg som deras polykristallina motsvarigheter tar.