Spin-Coating-Speed-Dependent Structural and Optical Properties of Open-Air-Processed MAPbI 3 Thin Films: Experimentally Informed SCAPS-1D Device Simulation

Zonne-energie was lang het domein van zware siliciumpanelen, maar een nieuwere, lichtere uitdager is uit het laboratorium tevoorschijn gekomen: perovskiet-zonnecellen. Deze apparaten maken gebruik van een speciale klasse kristallen die als inkt op oppervlakken kunnen worden geschilderd, wat een potentieel pad biedt naar goedkope, flexibele elektriciteit. De meest veelbelovende versie van dit materiaal is een verbinding genaamd methylammoniumloodjodide. Om het te laten werken, moeten wetenschappers een dunne, foutloze laag van deze kristallen op een glasslide laten groeien. De kwaliteit van deze laag bepaalt hoe goed de zonnecel zonlicht opvangt en omzet in energie. Het kweken van deze kristallen is echter een delicaat evenwicht. Als het proces te langzaam gaat, droogt het materiaal ongelijkmatig op; als het te snel gaat, krijgen de kristallen niet genoeg tijd om zich goed te vormen. De uitdaging ligt in het vinden van de exacte snelheid die de kristallen toestaat groot en ordelijk te groeien, waardoor een gladde film zonder barsten of gaten ontstaat.

Een team onderzoekers aan de Obafemi Awolowo Universiteit en de Federal University of Technology Owerri in Nigeria zette zich af om dit specifieke puzzelstukje op te lossen. Ze richtten zich op één enkele variabele: hoe snel de glasslide moet draaien terwijl de vloeibare oplossing wordt aangebracht. Dit draaiende proces, bekend als spin coating, verspreidt de vloeistof in een dunne film. Het team testte vier verschillende snelheden, variërend van 2.000 tot 5.000 omwentelingen per minuut, terwijl ze elke andere conditie exact hetzelfde hielden. Ze werkten in een gecontroleerde kamer met specifieke temperatuur- en vochtigheidsniveaus om ervoor te zorgen dat de lucht zelf de resultaten niet zou verstoren. Door een oplosmiddel te gebruiken dat snel verdampt en een specif으로 verwarmingsproces, stuurden ze de vloeistof aan om te transformeren in vaste kristallen op het glas.

De resultaten toonden aan dat de relatie tussen snelheid en kwaliteit geen rechte lijn is. De onderzoekers ontdekten dat het te langzaam of te snel draaien van het glas beide leidde tot rommelige, imperfecte kristallen. De langzaamste snelheid liet de vloeistof te dik achter, waardoor deze ongelijkmatig opdroogde. De hoogste snelheid verwijderde de vloeistof zo snel dat de kristallen niet groot genoeg konden groeien. Het ideale punt werd gevonden bij 3.000 omwentelingen per minuut. Bij deze specifieke snelheid groeiden de kristallen tot hun grootste omvang, ongeveer 22,73 nanometer breed, en was de interne spanning binnen het materiaal op zijn laagst. Dit creëerde de meest ordelijke en hoogwaardige film van alle geteste monsters. Het team bevestigde dit door de film met röntgenstraling te onderzoeken, wat een perfecte kristalstructuur toonde zonder restanten van de grondstoffen.

Zodra ze de beste film hadden geïdentificeerd, wilden de onderzoekers weten hoe deze fysieke kwaliteit zich zou vertalen naar elektrische energie. Ze gebruikten een computersimulatie om een virtuele zonnecel te bouwen met exact de eigenschappen van de films die ze hadden gemaakt. De simulatie toonde aan dat de film die op 3.000 rpm werd gesponnen, die een iets lagere energiegap voor lichtabsorptie had, iets beter presteerde dan de anderen. In deze virtuele test bereikte het beste prototype een efficiëntie van 16,67 procent. De onderzoekers stopten echter niet daar. Ze gebruikten de simulatie om te vragen wat er zou gebeuren als ze andere problemen in het apparaat zouden kunnen oplossen, zoals het dikker maken van de lagen of het verminderen van minuscule defecten die elektriciteit vangen. Wanneer ze deze factoren optimaliseerden in het computermodel, sprong de voorspelde efficiëntie naar 25,38 procent.

Deze studie benadrukt dat hoewel de snelheid van het spinproces cruciaal is voor het maken van goede kristallen, dit slechts de eerste stap is. De onderzoekers hebben aangetoond dat de beste fysieke film niet automatisch de beste zonnecel garandeert, maar wel het essentiële fundament biedt. De computermodellen toonden aan dat om de hoogst mogelijke vermogensniveaus te bereiken, men ook zorgvuldig de dikte van de lagen moet beheren en de minuscule imperfecties in het materiaal moet minimaliseren. Het werk bevestigt dat het maken van zonnecellen in normale lucht mogelijk is als het proces strikt wordt gecontroleerd, en het biedt een duidelijk stappenplan voor hoe men van een basis laboratoriummonster naar een zeer efficiënt apparaat beweegt. De bevindingen suggereren dat de toekomst van deze zonnecellen niet alleen ligt in het vinden van nieuwe materialen, maar in het beheersen van de precieze, alledaagse details van hoe ze worden gebouwd.