Zero-dimensional perovskite layer-based PSCs for high Voc ~ 1.4 volt: Combination of DFT and OghmaNano Software

Zonnecellen zijn de stille werkpaarden van de moderne energietransitie, die zonlicht opvangen en het omzetten in elektriciteit om onze huizen en apparaten van stroom te voorzien. In het hart van de meest veelbelovende nieuwe generatie van deze apparaten ligt een klasse materialen die perovskieten worden genoemd. Deze kristallijne structuren worden geprezen om hun vermogen om licht te absorberen en elektronen met opmerkelijke gemak vrij te geven, waarbij ze vaak oudere technologieën zoals silicium overtreffen. De meest efficiënte versies van deze materialen vertrouwen echter momenteel op lood, een giftig zwaar metaal dat milieu- en gezondheidsrisico's met zich meebrengt. Dit heeft wetenschappers gedreven tot de zoektocht naar loodvrije alternatieven die even effectief zijn, maar veilig zijn bij de productie en afdanking. Een centrale uitdaging in deze zoektocht is niet alleen het vinden van een niet-toxisch materiaal, maar het technisch vormgeven ervan tot een apparaat dat efficiënt licht kan oogsten en de resulterende elektrische lading kan tegenhouden zodat deze niet weglekt voordat deze gebruikt kan worden.

In een recente studie onderzochten onderzoekers een nieuwe manier om een zonnecel te bouwen door lagen van verschillende perovskietmaterialen op elkaar te stapelen, elk met een unieke interne structuur. Het team, onder leiding van Darko A. Noori aan de Universiteit van Sulaymaniyah, richtte zich op een ontwerp dat drie verschillende soorten perovskietlagen combineert: een standaard driedimensionale kristal, een dubbellaags kristal en een zero-dimensionaal kristal. Om het concept te visualiseren, kunt u zich een sandwich voorstellen waarbij elke plak brood en de vulling van verschillende materialen zijn gemaakt, elk gekozen om een specifieke taak uit te voeren in het vangen van licht en het verplaatsen van elektriciteit. De onderzoekers hebben voor dit werk geen fysiek prototype in een laboratorium gebouwd; in plaats daarvan gebruikten ze een geavanceerd computer-simulatietool genaamd OghmaNano om te modelleren hoe deze lagen zich onder zonlicht zouden gedragen. Deze digitale aanpak stelde hen in staat om de fysica van het apparaat met hoge precisie te testen, waarbij zij berekenden hoe licht door de lagen beweegt en hoe elektronen en gaten — de positieve en negatieve ladingen die elektriciteit vormen — reizen en interageren.

Het apparaat dat zij hebben gemodelleerd bestaat uit een dunne voorste laag van een materiaal genaamd CsGeCl3, dat fungeert als een poort voor elektronen, gevolgd door een dikkere middelste laag van Cs2InCoCl6, die dient als de belangrijkste lichtabsorber. De innovatie in dit ontwerp komt voort uit de laatste laag: een dunne plaat van een zero-dimensionaal materiaal genom Cs3BiBr6 die aan de achterkant is geplaatst. In de wereld van kristallen betekent "zero-dimensionaal" dat de atomen zijn gerangschikt in kleine, geïsoleerde clusters in plaats van in een continu rooster, een structuur die bekend staat om haar vermogen om defecten te tolereren en ongewenste ladingen te blokkeren. De onderzoekers wilden zien of het toevoegen van deze specifieke laag de capaciteit van de zonnecel zou verbeteren om spanning te genereren, wat de elektrische druk is die een stroom door een circuit duwt.

De simulaties toonden aan dat het toevoegen van de zero-dimensionale laag de prestaties van de zonnecel transformeerde. Toen de onderzoekers het nieuwe drielagige ontwerp vergeleken met een eenvoudiger tweelagig versie zonder de Cs3BiBr6, waren de resultaten opmerkelijk. De nieuwe structuur reflecteerde minder licht, wat betekent dat het meer van de zonne-energie opving in plaats van het van het oppervlak te laten terugkaatsen. Belangrijker nog was dat de toevoeging van de zero-dimensionale laag de snelheid waarmee gegenereerde ladingen recombineerden en verdwenen voordat ze konden worden verzameld, aanzienlijk verminderde. In het tweelagige apparaat gingen ladingen snel verloren, wat de spanning beperkte tot ongeveer 0,65 volt. In het drielagige ontwerp fungeerde het zero-dimensionale materiaal als een zeer effectieve barrière, die deze verliezen voorkwam en de spanning liet stijgen naar 1,36 volt. Deze toename in spanning was de primaire drijfveer achter de verbeterde efficiëntie van het apparaat.

Naast alleen spanning werkte het hele systeem beter samen. De simulatie toonde aan dat de drielagige cel meer elektrische stroom genereerde en een hogere "fill factor" behield, een maatstaf voor hoe effectief de cel het beschikbare licht omzet in bruikbare energie. Het resultaat was een theoretische conversie-efficiëntie van 33,15 procent, een dramatische sprong ten opzichte van de 11,96 procent efficiëntie van het eenvoudigere tweelagige ontwerp. De studie suggereert dat de zero-dimensionale laag hielp bij het afstemmen van de energieniveaus tussen de verschillende materialen, waardoor een soepeler pad ontstond voor ladingen om van de lichtabsorberende kern naar de elektrische contacten te reizen. Deze afstemming, gecombineerd met het vermogen van het materiaal om defecten te onderdrukken, stelde het apparaat in staat om licht te oogsten over een breed spectrum, van ultraviolet tot het zichtbare bereik, met minimale verspilling.

Hoewel deze bevindingen veelbelovend zijn, merkt de auteur er voorzichtig bij op dat deze resultaten voortkomen uit computermodellen gebaseerd op theoretische gegevens. De studie bevestigt dat de fysica van deze specifieke combinatie van materialen in theorie zou moeten werken, maar het bewijst nog niet dat een fysiek apparaat dat op deze manier wordt gebouwd, in de echte wereld precies hetzelfde zal presteren. Factoren zoals productiefouten, materiaalstabiliteit over tijd en interface-onvolkomenheden werden in deze simulatie niet volledig behandeld. Desalniettemin biedt het werk een sterk blauwdruk voor toekomstige experimenten. Het identificeert een specifieke, loodvrije architectuur die potentieel het dubbele probleem van toxiciteit en efficiëntie in zonne-energie kan oplossen. Door aan te tonen hoe een zero-dimensionale laag de spanning kan verhogen en energieverlies kan verminderen, biedt het onderzoek een duidelijke richting voor wetenschappers die streven naar de volgende generatie schone, hoogwaardige zonnecellen.