Molekyylivika perovskiittikennossa

Vetyvakanssi (keskipisteen vasemmalla puolella oleva musta täplä), joka syntyy poistamalla vety metyyliammoniummolekyylistä, vangitsee varauksenkantajat prototyyppisessä hybridi-perovskiitissa, mehtyyliammonium-lyijyjodidissa CH3NH3Pbl3.

UC Santa Barbaran teknillisen korkeakoulun materiaaliosaston tutkijat ovat paljastaneet tärkeän syyn perovskiittiaurinkokennojen tehokkuuden rajoituksiin.

Erilaisia mahdollisia vikoja hybridiperovskiitteina tunnetuissa hiloissa on aiemmin pidetty tällaisten rajoitusten mahdollisena syynä, mutta oletettiin, että orgaaniset molekyylit pysyisivät ennallaan. Huippuluokan laskelmat ovat nyt paljastaneet, että juuri näistä molekyyleistä puuttuvat vetyatomit voivat aiheuttaa vakavia tehohäviöitä.

UCSB:n professorin Chris Van de Wallen -ryhmä saavutti äskettäin tämän läpimurron löytämällä vahingollisen vian paikassa, jota kukaan ei ollut ennen tarkastellut: orgaanisessa molekyylissä.

"Metyyliammonium lyijyjodidi on prototyyppinen hybridi perovskiitti", kertoo Xie Zhang, projektin johtava tutkija. ”Huomasimme, että on yllättävän helppo rikkoa yksi sidoksista ja poistaa vetyatomi metyyliammoniummolekyylistä." Tuloksena oleva "vetyvakanssi" toimii sitten ansana liikkuville sähkövarauksille.

Tutkimuksen mahdollisti Van de Walle -ryhmän kehittämä laskentatekniikka. Tällaiset huippuluokan laskelmat tarjoavat yksityiskohtaista tietoa materiaalin elektronien kvantti-mekaanisesta käyttäytymisestä. "Laskelmat toimivat teoreettisena mikroskooppina, jonka avulla saatoimme tutustua materiaaliin paljon paremmalla resoluutiolla kuin kokeellisesti voidaan saavuttaa", Van de Walle selittää. Siten ne muodostavat myös perustan rationaaliselle materiaalisuunnittelulle.

Kokeilun ja erehdyksen avulla on havaittu, että perovskiitit, joissa metyyliammoniummolekyyli korvataan formamidiniumilla, ovat parempia. Voimme nyt katsoa tämän parannuksen johtuvan siitä, että vetyvirheet muodostuvat vähemmän helposti formamidiniyhdisteessä.

"Tämä oivallus antaa selkeän perustan empiirisesti vakiintuneelle viisaudelle, jonka mukaan formamidinium on välttämätön tehokkaiden aurinkokennojen toteuttamiseksi", hän lisää.

Myös King Abdullahin tiede- ja teknologiayliopiston (KAUST) tutkijat ovat löytäneet formamidiniumin.

Monikiteiset lyijyhalogenidiperovskiitit ovat tuottaneet tehokkaita aurinkokennoja mutta nyt KAUST-tiimi on kehittänyt lähestymistavan, jossa käytetään mikronin paksuista absorberikerrosta, joka koostuu yksikiteisestä perovskiitistä. Kiteet sisältävät orgaanisten metyyliammonium- ja formamidiniumkationien seoksen.

Tutkijat sijoittivat tällaisen sekoitetun kationin perovskiitin käänteisiin p-i-n-aurinkokennoihin, joissa absorboija on sijoitettu pintaosan elektronien ja pohjaosan aukkojen kuljetuskerroksien väliin.

Saatujen aurinkokennojen hyötysuhde oli 22,8 prosenttia, ylittäen parhaiten toimivat kennot, joissa käytettiin yksikiteistä metyyliammonium lyijytrijodidia ja lähestyen siten GaAs-kennojen tasoa.