Surface Physics of Low-Dimensional Pnictogen Chalcohalides and Its Impact on Photovoltaic Technologies

Zonnecellen zijn de werkpaarden van de moderne groene energietransitie, waarbij ze zonlicht direct omzetten in elektriciteit. Voor deze apparaten om goed te functioneren, zijn ze afhankelijk van een delicate interne architectuur waarbij verschillende lagen materiaal perfect met elkaar moeten samenwerken. Eén laag absorbeert het licht en creëert een stroom van minuscule geladen deeltjes, terwijl andere lagen fungeren als poortwachters die die deeltjes naar de juiste draden leiden zonder ze te laten verdwalen of tegen elkaar te laten wegvallen. De efficiëntie van dit proces hangt sterk af van de precieze energieniveaus op de oppervlakken waar deze lagen elkaar raken. Als de energieniveaus niet correct op elkaar aansluiten, kan de elektriciteit niet ontsnappen en faalt het apparaat in zijn prestaties. Hoewel wetenschappers zich lang hebben gericht op de chemische samenstelling van deze materialen, suggereert een nieuwe studie dat de fysieke vorm en oriëntatie van de kristaloppervlakken zelf de ontbrekende schakel kunnen zijn voor een veelbelovende nieuwe familie van zonnecelmaterialen.

Onderzoekers hebben onlangs een groep verbindingen geïdentificeerd die bekend staan als pnictogeen-calcohaliden, als potentiële sterren in de zonnecelwereld. Deze materialen zijn gemaakt van elementen zoals bismut of antimonium gecombineerd met zwavel, selenium, jodium of broom. Ze zijn aantrekkelijk omdat ze niet-toxisch, stabiel en zeer effectief in het absorberen van licht zijn, theoretisch in staat om tot dertig procent van het zonlicht om te zetten in elektriciteit. Echter, in de praktijk gemaakte zonnecellen van deze materialen hebben moeite om zelfs tien procent efficiëntie te bereiken. Wetenschappers vermoedden dat defecten binnen het materiaal of een slecht ontwerp van het apparaat de schuld waren, maar een nieuw, uitgebreid onderzoek onthult dat het probleem kan liggen in de microscopische geometrie van de kristaloppervlakken.

Een team van onderzoekers uit Spanje gebruikte krachtige computersimulaties om de oppervlakken van acht verschillende verbindingen uit deze familie te onderzoeken. In plaats van ervan uit te gaan dat de meest voorkomende kristalvlakken ook de meest stabiele zouden zijn, testten zij systematisch een breed scala aan mogelijke oppervlakteoriën, inclusief enkele die zelden worden overwogen. Ze ontdekten dat voor elke onderzochte verbinding twee specifieke oppervlakken het meest stabiel zijn en waarschijnlijk zullen ontstaan tijdens de productie. Een van deze oppervlakken, bekend als het (011)-vlak, was in eerder onderzoek grotendeels over het hoofd gezien, terwijl het andere, het (010)-vlak, al bekend was. De twee oppervlakken zijn qua energie zo vergelijkbaar dat ze in een echte zonnecel natuurlijk naast elkaar zouden bestaan, zij aan zij op hetzelfde stuk materiaal.

De cruciale bevinding is dat hoewel deze twee oppervlakken energetische tweelingen zijn, ze zich gedragen als vreemden als het gaat om elektriciteit. De onderzoekers ontdekten dat de energieniveaus aan de rand van het vermogen van het materiaal om elektriciteit te geleiden, tussen de twee vlakken aanzienlijk verschuiven. Op het ene oppervlak liggen de energieniveaus diep en laag, terwijl ze op het andere veel hoger liggen. Dit verschil kan oplopen tot 0 than 0,8 elektronvolt, een kloof die aanzienlijk is in de wereld van de atomaire fysica. Om dit in perspectief te plaatsen: dit energieverschil is ongeveer gelijk aan de hoogte van een gebouw van drie verdiepingen als de energieschaal een verticale ladder zou zijn, wat een enorme barrière creëert die elektronen moeten proberen te beklimmen.

Omdat deze twee oppervlakken qua energie zo dicht bij elkaar liggen, zal een echte zonnecel gemaakt van deze materialen onvermijdelijk een mengsel van beide bevatten. De onderzoekers simuleerden vervolgens hoe een zonnecel zou reageren als deze beide typen oppervlakken zou bevatten. De resultaten waren onomwonden: de aanwezigheid van de mismatchende oppervlakken creëerde een conflict in de stroom van elektriciteit. Het oppervlak dat goed was in het doorlaten van elektronen, was slecht in het doorlaten van gaten (de positieve tegenhangers), en vice versa. Wanneer beide oppervlakken aanwezig zijn, vechten ze tegen elkaar, waardoor de spanning van het apparaat drastisch daalt. In hun simulaties zorgde dit interne conflict voor een vermindering van de maximale spanning met wel 0,6 volt, een verlies dat verklaart waarom deze materialen er niet in zijn geslaagd hun theoretische potentieel te bereiken.

Deze ontdekking verandert de manier waarop wetenschappers over het ontwerpen van deze zonnecellen moeten denken. Het suggereert dat de lage efficiëntie niet noodzakelijkerwijs te wijten is aan slechte chemie of onzuiverheden, maar aan een verborgen ontwerpfout: de ongecontroleerde menging van verschillende kristalvlakken. De studie impliceert dat om een hoogwaardige zonnecel te bouwen, ingenieurs moeten leren de oriëntatie van de kristallen te controleren, zodat alleen het meest gunstige oppervlak wordt blootgesteld aan de elektrische contacten. Alternatief kunnen ze het apparaat zo ontwerpen dat het gebruikmaakt van dit verschil, door de natuurlijke energiekloof tussen de vlakken te gebruiken om ladingen te scheiden, vergelijkbaar met een fotokatalysator die water splitst.

De onderzoekers benadrukken dat hun bevindingen zijn gebaseerd op computermodellen van perfecte, schone oppervlakken, en dat real-world materialen extra complexiteiten zullen hebben zoals onzuiverheden en oppervlakteruwheid. De simulaties bieden echter een duidelijke verklaring voor de kloof tussen theorie en experiment. Door oppervlakteori als een cruciale, maar voorheen verborgen variabele te identificeren, biedt dit werk een nieuwe weg voorwaarts. Het suggereert dat de sleutel tot het ontsluiten van het volledige potentieel van deze niet-toxische zonnematerialen niet alleen ligt in waar het materiaal van gemaakt is, maar in hoe het oppervlak gevormd en uitgelijnd is.