Wondermateriaal voor zonnecellen verrast onderzoekers : Onverwachte experimentele resultaten leiden tot beter begrip van het veelbelovende materiaal perovskiet

Natuurkundigen van AMOLF hebben het mysterieuze werkingsmechanisme opgehelderd van een veelbelovend nieuw materiaal voor zonnecellen. Experimenten waarin ze druk uitoefenden op perovskiet halfgeleiders leidden tot tegen-intuïtieve resultaten die ze niet konden verklaren met de conventionele halfgeleidertheorie. De resultaten bleken echter wel verrassend goed overeen te komen een nieuwe theorie van het Imperial College in Londen, die een eigenaardige bandstructuur voorspelt in perovskiet halfgeleiders. “Theorie en experimenten kwamen prachtig samen en hebben ons geholpen een belangrijk deel van de perovskietpuzzel op te lossen”, zegt AMOLF-groepsleider Bruno Ehrler, die de resultaten op 23 december publiceert in het tijdschrift Energy & Environmental Science.

Een nieuwe groep materialen gebaseerd op lood-halide perovskiet halfgeleiders staat volop in de aandacht van wetenschappers die onderzoek doen naar zonnecellen. Binnen vijf jaar nadat ze toevallig zijn ontdekt, zijn deze perovskiet materialen al bijna even efficiënt als de beste silicium zonnecellen. Bovendien is het mogelijk perovskieten te printen als inkt, waardoor goedkope, grootschalige productie in het verschiet ligt. “De ontwikkeling van prototypes gaat heel snel, maar tegelijkertijd begrijpen we nauwelijks waarom deze materialen zo efficiënt zijn”,  zegt Bruno Ehrler, hoofd van de groep Hybrid Solar Cells bij AMOLF. “Als licht het actieve materiaal van een zonnecel raakt, komen elektronen vrij, die als elektrisch vermogen kunnen worden gewonnen. In perovskiet halfgeleiders leven deze vrije elektronen veel langer dan je zou verwachten van een halfgeleider met zo’n sterke lichtabsorptie.”

Experimenten onder hoge druk
Het feit dat vrije elektronen zo lang blijven bestaan in perovskiet, maakt dat er in zonnecellen veel tijd is om het elektrisch vermogen te onttrekken. Ehrler en zijn team stonden echter voor een verrassing toen zij tijdens experimenten hoge druk uitoefenden op een perovskiet halfgeleider (methylammonium lead iodide perovskite). De onderzoekers zagen dat bij hoge druk de vrije elektronen veel sneller vervielen en ze verwachtten daarom ook een sterke afname van de emissie van licht. “Maar het tegenovergestelde gebeurde; we zagen een verdubbeling van de lichtemissie”, vertelt Tianyi Wang, die in Ehrler’s groep promotieonderzoek doet. “Dit resultaat was niet te rijmen met het gedrag van een traditionele halfgeleider. We hebben de metingen meerdere keren gedaan om zeker te weten dat we niet met een fout in het experiment te maken hadden.”

Uitzonderlijke energiebanden
De onderzoekers zochten de hulp van hun theoretische collega’s van het Imperial College in Londen, die samen met het Londense King’s College onlangs een nieuwe theorie hadden ontwikkeld om perovskiet materialen te beschrijven. Deze theorie voorspelt een zeer uitzonderlijke structuur van energiebanden die de vrije elektronen in perovskiet halfgeleiders beschermen tegen snel verval in een lagere energietoestand. “Halfgeleiders kunnen worden onderverdeeld in twee duidelijk verschillende soorten, met een directe en een indirecte bandkloof”, legt Ehrler uit. “Directe bandkloof halfgeleiders absorberen heel veel licht, maar hun vrije elektronen vervallen ook erg snel. Halfgeleiders met een indirecte bandkloof, zoals het veelgebruikte silicium, absorberen het licht veel minder goed, maar de vrije elektronen zijn als het ware beschermd voor verval waardoor ze veel langer aanwezig zijn. De nieuwe theorie stelt dat perovskiet zowel een directe als een indirecte bandkloof heeft, met een zeer vergelijkbaar energieniveau. Hierdoor ervaren de elektronen beide bandkloofsoorten, en combineren een sterke absorptie met een uitzonderlijk lange levensduur van de vrije elektronen.”

Theorie bevestigd
De theorie van een duale bandkloofstructuur voor perovskiet materialen voorspelt ook dat onder hoge druk de bescherming van vrije elektronen door de indirecte bandkloof verdwijnt, waardoor het materiaal zich meer als een gewone directe bandkloof  halfgeleider gaat gedragen. “Met deze theorie waren onze experimentele data ineens heel erg logisch “, zegt Benjamin Daiber van AMOLF. Zijn collega Aron Walsh van het Imperial College was blij zijn theorie zo snel bevestigd te zien door het experiment: “Natuurlijk geloven wij sterk in theoretische voorspellingen, maar zonder experimenteel bewijs is het veel moeilijker de wetenschappelijke gemeenschap te overtuigen dat we een deel van de perovskiet puzzel hebben opgelost.”

Ehrler erkent dat perovskietmaterialen nog niet al hun geheimen hebben prijsgegeven. “De volgende stap is dat we gaan onderzoeken welk deel van de kristalstructuur van perovskiet verantwoordelijk is voor de uitzonderlijke bandkloofstructuren. Ook willen we ontdekken welke combinaties van bandkloven het best zijn voor zonnecellen en andere toepassingen”,  zegt hij. “Onze resultaten laten zien dat we de eigenschappen van perovskiet halfgeleiders fundamenteel kunnen veranderen. Dit kan uiteindelijk leiden tot efficiëntere leds en lasers gemaakt van perovskiet materialen. Ook biedt het mogelijkheden voor een meer gestuurde ontwikkeling van totaal nieuwe materialen.”

Referentie
Tianyi Wang, Benjamin Daiber, Jarvist M. Frost, Sander A. Mann, Erik C. Garnett, Aron Walsh and Bruno Ehrler. Indirect to direct bandgap transition in methylammonium lead halide perovskite under pressure. Energy Environ. Sci., 2016, DOI: 10.1039/c6ee03474h