Perowskite, eine "spottbillige" Alternative zu Silizium, sind jetzt noch viel effizienter
Forscher nutzen Substrate aus Metall und Dielektrika, um die Lichtumwandlungseffizienz von Perowskiten um 250 Prozent zu steigern
Silizium, das Standard-Halbleitermaterial, das in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt wird - Computer-Zentraleinheiten (CPUs), Halbleiterchips, Detektoren und Solarzellen - ist ein reichlich vorkommendes, natürliches Material. Es ist jedoch teuer in der Gewinnung und Reinigung.
Diese Abbildung aus dem Guo-Labor zeigt die Wechselwirkung zwischen einem Perowskit-Material (cyan) und einem Substrat aus metallisch-dielektrischem Material. Die roten und blauen Paarungen sind Elektron-Loch-Paare. Die vom Substrat reflektierten Spiegelbilder verringern die Fähigkeit der angeregten Elektronen im Perowskit, mit ihren Atomkernen zu rekombinieren, was die Effizienz des Perowskits bei der Nutzung des Sonnenlichts erhöht.
Illustration by Chloe Zhang
Perowskite - eine Materialfamilie, die ihren Spitznamen ihrer kristallinen Struktur verdankt - haben sich in den letzten Jahren als vielversprechender, weitaus kostengünstigerer und ebenso effizienter Ersatz für Silizium in Solarzellen und Detektoren erwiesen. Eine Studie unter der Leitung von Chunlei Guo, einem Professor für Optik an der Universität von Rochester, legt nun nahe, dass Perowskite noch viel effizienter werden könnten.
Normalerweise synthetisieren Forscher Perowskite in einem Nasslabor und tragen das Material dann als Film auf ein Glassubstrat auf, um verschiedene Anwendungen zu untersuchen.
Guo schlägt stattdessen einen neuen, physikalisch begründeten Ansatz vor. Durch die Verwendung eines Substrats, das entweder aus einer Metallschicht oder aus abwechselnden Schichten aus Metall und dielektrischem Material besteht - und nicht aus Glas -, konnten er und seine Mitautoren die Lichtumwandlungseffizienz des Perowskits um 250 Prozent steigern.
Ihre Ergebnisse werden in Nature Photonics veröffentlicht.
"Niemand sonst ist auf diese Beobachtung bei Perowskiten gekommen", sagt Guo. "Plötzlich können wir eine Metallplattform unter ein Perowskit legen und damit die Wechselwirkung der Elektronen innerhalb des Perowskits völlig verändern. Wir verwenden also eine physikalische Methode, um diese Wechselwirkung zu gestalten."
Neuartige Perowskit-Metall-Kombination schafft "eine Menge überraschender Physik"
Metalle sind wahrscheinlich die einfachsten Materialien in der Natur, aber man kann ihnen komplexe Funktionen verleihen. Das Guo-Labor verfügt über umfangreiche Erfahrungen in dieser Richtung. Das Labor hat mit einer Reihe von Technologien Pionierarbeit geleistet, mit denen einfache Metalle pechschwarz, superhydrophil (wasseranziehend) oder superhydrophob (wasserabweisend) gemacht werden können. Die verbesserten Metalle wurden in ihren jüngsten Studien zur Absorption von Sonnenenergie und zur Wasserreinigung eingesetzt.
In dieser neuen Arbeit zeigt das Guo-Labor nicht, wie das Metall selbst verbessert werden kann, sondern wie das Metall verwendet werden kann, um die Effizienz von Pervoskiten zu erhöhen.
"Ein Stück Metall kann genauso viel leisten wie eine komplexe chemische Technik in einem Nasslabor", sagt Guo und fügt hinzu, dass die neue Forschung besonders nützlich für die künftige Gewinnung von Solarenergie sein könnte.
In einer Solarzelle müssen die Photonen des Sonnenlichts mit den Elektronen interagieren und diese anregen, so dass die Elektronen ihre Atomkerne verlassen und einen elektrischen Strom erzeugen, erklärt Guo. Im Idealfall würde die Solarzelle Materialien verwenden, die schwach genug sind, um die angeregten Elektronen zu den Atomkernen zurückzuziehen und den elektrischen Strom zu stoppen.
Guos Labor hat gezeigt, dass eine solche Rekombination durch die Kombination eines Perowskit-Materials mit einer Metallschicht oder einem Metamaterial-Substrat, das aus abwechselnden Schichten aus Silber, einem Edelmetall, und Aluminiumoxid, einem Dielektrikum, besteht, erheblich verhindert werden kann.
Das Ergebnis war eine erhebliche Verringerung der Elektronenrekombination durch "eine Menge überraschender physikalischer Effekte", so Guo. Tatsächlich dient die Metallschicht als Spiegel, der umgekehrte Bilder von Elektronen-Loch-Paaren erzeugt und so die Fähigkeit der Elektronen zur Rekombination mit den Löchern schwächt.
Das Labor konnte mit einem einfachen Detektor die daraus resultierende 250-prozentige Steigerung der Effizienz der Lichtumwandlung beobachten.
Bevor Perowskite in der Praxis eingesetzt werden können, müssen noch einige Probleme gelöst werden, insbesondere ihre Tendenz, sich relativ schnell zu zersetzen. Derzeit sind die Forscher auf der Suche nach neuen, stabileren Perowskit-Materialien.
"Wenn neue Perowskite auftauchen, können wir unsere auf der Physik basierende Methode nutzen, um ihre Leistung weiter zu verbessern", sagt Guo.
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