Perovskiet onder druk: ‘hete’ elektronen koelen sneller af

In zonnecellen gaat ongeveer twee derde van de energie uit zonlicht verloren. De helft van die verliezen is toe te schrijven aan een proces dat ‘hot carrier cooling’ heet. Hoogenergetische fotonen worden niet direct omgezet in elektriciteit, maar staan hun teveel aan energie eerst af in de vorm van warmte. Onderzoekers van AMOLF zijn nu in staat de snelheid van dit proces in perovskiet te manipuleren door druk op het materiaal uit te oefenen. Dit maakt perovskiet niet alleen geschikt voor zonnecellen, maar ook voor vele andere toepassingen, zoals lasers en thermo-elektrische devices. Het onderzoek verschijnt op 23 april in het Journal of Physical Chemistry Letters.

Perovskiet is een veelbelovend materiaal voor toekomstige zonnecellen, omdat het gemaakt wordt van goedkope grondstoffen. Bovendien kan de samenstelling gemakkelijk worden aangepast aan specifieke ontwerpeisen, zoals zonnecellen in elke gewenste kleur. Wetenschappers uit de Hybrid Solar Cells groep van AMOLF proberen de efficiëntie en levensduur van hybride perovskiet halfgeleiders te verbeteren door onderzoek te doen naar de fundamentele eigenschappen van het materiaal. Eén van die eigenschappen is de snelheid van het zogenoemde hot carrier cooling, een proces dat ook relevant is voor het gebruik van perovskiet in andere toepassingen dan zonnecellen.

Hot carrier cooling
In zonnecellen wordt het licht dat past binnen de geleidingsband van de halfgeleider direct omgezet naar elektriciteit. Licht met een hogere energie kan niet op die manier geoogst worden. Zulke hoogenergetische fotonen genereren in het materiaal zogenaamde hete dragers: hoogenergetische elektronen (en gaten) die eerst moeten afkoelen voordat ze beschikbaar zijn als elektrische energie. Dat afkoelen noemen we hot carrier cooling en gebeurt spontaan: de hete dragers verliezen hun energieoverschot door botsingen in het materiaal totdat ze wel passen binnen de geleidingsband van de halfgeleider.
Promotieonderzoeker Loreta Muscarella bestudeert dit proces in perovskiet. Ze vertelt: “Hot carrier cooling gebeurt ontzettend snel, op een tijdschaal van femtoseconden tot picoseconden. Dat maakt het ingewikkeld om het proces te sturen of zelfs maar te bestuderen. Gelukkig beschikt onze onderzoeksgroep over een opstelling met een unieke Transient Absorption Spectrometer (TAS) die onder zeer hoge druk de elektronische eigenschappen van perovskiet kan meten binnen enkele femtoseconden nadat het is belicht.”

Manipuleren met druk
Het was al bekend dat bij intense belichting het proces van hot carrier cooling in perovskiet veel langzamer gaat dan in silicium halfgeleiders. Dit maakt het makkelijker om het proces in perovskiet te bestuderen. Muscarella en haar collega’s vermoedden dat de koelsnelheid wel eens afhankelijk zou kunnen zijn van externe druk op het materiaal. “De hete dragers verliezen hun extra energie door trillingen en verstrooiing. Omdat een externe druk de trillingen in het perovskiet versterkt, zou het ook het hot carrier cooling proces moeten versnellen”, zeg ze. “We hebben ons vermoeden experimenteel getest en zagen dat we de koeltijd inderdaad konden beïnvloeden met druk. Bij een externe druk van zo’n drieduizend bar bleek het proces twee tot drie keer sneller te gaan, wat gunstig is voor gebruik van perovskiet in zonnecellen.”
Een zonnecel kan bij zulke hoge druk niet werken, maar het is mogelijk een vergelijkbaar effect te bereiken met interne spanning in het materiaal. Muscarella: “We hebben de experimenten gedaan met druk van buitenaf, maar in perovskiet kun je die druk gemakkelijk nabootsen. Er ontstaat een interne spanning als we het materiaal of de manier waarop we het deponeren, chemisch veranderen, zoals onze groep eerder heeft laten zien.”

Koelsnelheid voor verschillende toepassingen
De mogelijkheid om de snelheid van hot carrier cooling te reguleren maakt de weg vrij voor verschillende andere toepassingen van perovskiet naast zonnecellen. “Dat we perovskiet halgeleiders kunnen ontwerpen in verschillende kleuren, maakt ze niet alleen interessant voor gekleurde zonnecellen, maar ook voor lasers en LED technologie. Net als voor gewone zonnecellen, is het voor zulke toepassingen noodzakelijk dat de hete dragers snel afkoelen. Aan de andere kant maakt een langzame koeling perovskiet juist geschikt voor thermo-elektrische toepassingen, waarbij een temperatuurverschil wordt omgezet in elektriciteit. De mogelijkheid om de hot carrier cooling snelheid aan te passen opent dus een heel scala aan mogelijke apparatuur waarin we perovskiet kunnen verwerken”, zegt Muscarella. Zij denkt zelfs aan het uitoefenen van een negatieve druk op het materiaal om het hot carrier cooling proces nog langzamer te maken voor een speciale soort zonnecel. “Omdat warmteverlies zorgt voor bijna dertig procent lagere efficiëntie in zonnecellen, zoeken wetenschappers naar manieren om de hete dragers in elektriciteit om te zetten voordat ze zijn afgekoeld. Momenteel gaat zelfs het ‘langzame’ koelen in perovskiet bij normale druk daarvoor te snel: de hete dragers verliezen hun extra energie nu binnen picoseconden. Maar als we op chemische wijze een negatieve spanning in het materiaal kunnen brengen, wordt het wellicht mogelijk het koelproces zo langzaam te maken dat de dragers hun energie niet aan warmte hoeven te verliezen, en komen zulke efficiëntere zonnecellen binnen bereik.”

Referentie
Loreta A. Muscarella, Eline M. Hutter, Jarvist M. Frost, Gianluca G. Grimaldi, Jan Versluis, Huib J. Bakker en Bruno Ehrler, Accelerated Hot-Carrier Cooling in a MAPbI3 Perovskite by Pressure-Induced Lattice Compression, The Journal of Physical Chemistry Letters, 12, 4118−4124 (2021).
DOI: 10.1021/acs.jpclett.1c00676