Mikä on perovskiittisen aurinkokennon tehokkuuden perusta?

Vaikka ne ovat täynnä epäpuhtauksia ja vikoja, liuosmenetelmällä käsitellyt lyijyhalogenidiperovskiitit ovat yllättävän tehokkaita muuntamaan aurinkoenergiaa sähköksi.

Nyt julkaistussa tutkimuksessa Itävallan tiede- ja teknologiainstituutin (ISTA) fyysikot esittävät kattavan selityksen perovskiitin hyötysuhteen taustalla olevasta mekanismista, joka on pitkään hämmentänyt tutkijoita.

Heidän keskeinen havaintonsa on, että vaikka piipohjainen teknologia perustuu epäpuhtauksien puuttumiseen, perovskiiteissa pätee päinvastoin: Näiden materiaalien luonnollinen rakenteellisten virheiden verkosto mahdollistaa pitkän kantaman varauksen kuljetuksen, jota tarvitaan tehokkaaseen aurinkosähköenergian keräämiseen. "Työmme tarjoaa ensimmäisen fyysisen selityksen näille materiaaleille ja ottaa samalla huomioon suurimman osan – ellei kaikki – niiden dokumentoiduista ominaisuuksista", Rak sanoo.

Tulokset voisivat nopeuttaa seuraavan sukupolven perovskiittipohjaisten aurinkokennojen siirtymistä laboratorioista tosielämän sovelluksiin.

Perovskiittien aiemmat karakterisoinnit ovat osoittaneet, että elektronien ja aukkojen yhdistyminen on ristiriidassa niiden luontaisen kiderakenteen kanssa. Tämän ristiriidan ratkaisemiseksi ISTA:n tutkijat ehdottivat edelleen, että varausten erottuminen ei tapahdu tasaisesti koko näytteessä, vaan se tapahtuu sen sijaan niin sanotuissa "domeeniseinissä" – modifioidun rakenteen kohdissa, jotka voivat muodostaa mikroskooppisia verkostoja koko näytteen läpi.

Tästä syntyi myös pelin muuttava oivallus. Kuten Dmytro Rak selittää: ”Jos domeeniseinän lähelle syntyy elektroni-aukko-pari, paikallinen sähkökenttä vetää elektronin ja aukon erilleen ja sijoittaa ne seinämän vastakkaisille puolille. Koska ne eivät pysty yhdistymään välittömästi, ne voivat ajautua domeeniseiniä pitkin ajan, joka tuntuu varauksenkuljettajien aikaskaalalla ikuisuudelta, ja kulkea pitkiä matkoja.” Näin ollen tutkimusryhmä osoitti perovskiittirakenteiden sisällä niin sanottujen ”varauksenkuljettajien valtateiden” olemassaolon. Nämä selittävät perovskiitien merkittävät varauksenkuljetusominaisuudet, jotka tekevät niistä niin tehokkaita energian keräämisessä.

Kirjoittajat korostavat, että tämä työ tarjoaa ensimmäisen kattavan ja johdonmukaisen fyysisen selityksen perovskiiteille. ”Tämän kattavan kuvan avulla pystymme vihdoin sovittamaan yhteen monia aiemmin ristiriitaisia havaintoja lyijyhalogenidiperovskiiteista ja ratkaisemaan pitkään jatkuneen keskustelun niiden ylivoimaisen energiankeruutehokkuuden lähteestä”, Rak sanoo.

Tähän mennessä tutkimus on keskittynyt enimmäkseen perovskiittien kemiallisen koostumuksen hienosäätöön, mutta tulokset ovat olleet rajallisia.

Nyt ISTA-tiimin löydökset voisivat auttaa tutkijoita suunnittelemaan perovskiitteja parantaakseen niiden tehokkuutta vaarantamatta niiden edullista tuotantoprosessia – mikä on uuden sukupolven aurinkokennojen merkkipaalu.

Aiheesta aiemmin:

Perovskiittisille aurinkokennoille pitkäaikainen vakaus

Perovskiittisten aurinkokennojen tehokkuuden parantaminen

Innovatiivisia rajapintoja tehokkaille perovskiittisille aurinkokennoille