تؤدي العيوب الضحلة إلى إعادة التركيب البطيء والكفاءة العالية في خلايا البيروفسكايت الشمسية - عالم الفيزياء

لقد حيرت الكفاءة العالية بشكل ملحوظ للخلايا الشمسية المصنوعة من مواد تسمى البيروفسكايت العلماء لمدة 20 عامًا تقريبًا. الآن، الباحثون في Forschungszentrum Jülich (FZJ) في ألمانيا يقولون أنهم وجدوا تفسيرا. ومن خلال دراسة اللمعان الضوئي للمواد على نطاق ديناميكي واسع، أظهروا أن حاملات الشحنة الحرة (الإلكترونات والثقوب) في خلايا البيروفسكايت الشمسية تتحد ببطء شديد، مما يزيد من عمر الحاملات ويعزز كفاءة الخلايا. وكشف عملهم أيضًا أن العيوب الضحلة في المادة تلعب دورًا مهمًا في إعادة التركيب عند حدوثها، وهي معرفة يمكن أن تساعد العلماء على زيادة الكفاءة بشكل أكبر.

تولد الخلايا الشمسية الكهرباء عندما تثير الفوتونات الصادرة عن ضوء الشمس الإلكترونات من نطاق التكافؤ منخفض الطاقة في مادة الخلية إلى نطاق التوصيل ذي الطاقة الأعلى. وبمجرد حدوث ذلك، يمكن لكل من الإلكترونات والثقوب ذات الشحنة الموجبة التي تتركها خلفها أن تتحرك بحرية، مما يخلق تيارًا كهربائيًا. تكمن المشكلة في أن الإلكترونات والثقوب المستحثة ضوئيًا تتحد مرة أخرى في النهاية، وعندما يحدث ذلك، فإنها لا تساهم في تدفق التيار. تعتبر عملية إعادة التركيب هذه هي المحرك الرئيسي لعدم كفاءة الخلايا الشمسية.

أحد الأسباب الرئيسية لإعادة التركيب هو العيوب التي تنشأ بشكل طبيعي في مواد الخلايا الشمسية أثناء التصنيع. كان الباحثون يعتقدون سابقًا أن السبب الرئيسي هو العيوب التي تقع بقوة في منتصف الطريق بين نطاقي التكافؤ والتوصيل. "وهذا لأن هذه "العيوب العميقة" يمكن الوصول إليها بالمثل من قبل الإلكترونات المثارة ونظيراتها، الثقوب" توماس كيرتشارتز، عالم فيزياء في FZJ الذي قاد الدراسة.

خلايا البيروفسكايت الشمسية مختلفة

ومع ذلك، أظهر كيرتشارتز وزملاؤه أن هذا ليس هو الحال في الخلايا الشمسية المصنوعة من البيروفسكايت. هذه المواد لديها ABX₃ التركيب الكيميائي (حيث A هو السيزيوم وميثيل الأمونيوم (MA) أو الفورمادينيوم (FA)، وB هو الرصاص أو القصدير وX هو الكلور أو البروم أو اليود)، وأظهر فريق FZJ أنه بالنسبة لهم، هناك عيوب ضحلة - أي العيوب الموجودة ليس في منتصف فجوة النطاق، ولكن بالقرب من نطاقات التكافؤ أو التوصيل – تلعب دورًا أكثر أهمية في إعادة التركيب.

حصل الفريق على هذه النتيجة بفضل تقنية التألق الضوئي الجديدة التي يمكنها قياس نطاق أوسع من شدة الضوء بدقة أفضل. هذا النهج، الذي أصبح ممكنا من خلال تراكب الإشارات المضخمة إلى نطاقات مختلفة، يعني أنه يمكنهم التمييز بين عمليات الخسارة الناجمة عن العيوب السطحية وتلك الناجمة عن العيوب العميقة - وهو أمر لم يكن ممكنا في القياسات السابقة.

"في الماضي، كان من المفترض أن العيوب العميقة (حتى لو كانت كثافتها منخفضة) تهيمن على إعادة التركيب لأن نموذج المذبذب التوافقي يتنبأ بهذا"، يشرح كيرتشارتز. "ومع ذلك، من المعروف أن البيروفسكايت يخالف هذا النموذج، مما يعني أن الإلكترونات يمكن أن تقترن ببعض الحالات البعيدة بالطاقة."

من خلال إجراء قياساتهم على نطاقات زمنية تتراوح من النانو ثانية إلى 170 ميكروثانية وعلى شدة الضوء التي تمتد من تسعة إلى 10 أوامر من حيث الحجم، وجد الباحثون أن زمن الاضمحلال التفاضلي لحاملات الشحنة في عيناتهم (Cs_0.05FA_0.73MA_0.22PBI_2.56Br_0.44 أفلام البيروفسكايت ثلاثية الموجبة) تخضع لقانون الطاقة. ويقولون إن هذا دليل قوي على أن عينتهم تحتوي على عدد قليل جدًا من العيوب العميقة، وأن العيوب الضحلة تهيمن على عملية إعادة التركيب. يقول كيرتشارتز: "لقد تم التنبؤ بوجود العيوب السطحية من الناحية النظرية فقط من قبل، ولكن لم يكن من المفترض على الإطلاق أن يكون الأمر بهذه الأهمية في هذا السياق".

تصل خلايا البيروفسكايت الشمسية إلى معالم جديدة فيما يتعلق بالاستقرار والكفاءة

ويأمل الباحثون أن يؤدي عملهم إلى تغيير الطريقة التي يتم بها تحليل إعادة التركيب في أفلام وأجهزة البيروفسكايت. يقول كيرتشارتز: "نرى أن دراستنا بمثابة مساهمة في فكرة شرح كيفية إجراء قياسات معينة للحصول على بيانات كمية يمكنها التمييز بين النماذج المختلفة". "نريد الابتعاد عن البحث المقارن الذي يقول: "عينتي الجديدة أفضل من العينات السابقة، انظر التجربة أ، ب، ج." وبدلا من ذلك، نريد أن يكون تحليل البيانات أكثر كمية.

وبالتطلع إلى المستقبل، يرغب فريق FZJ الآن في دمج نهجه مع نهج آخر تم وصفه مؤخرًا من قبل زملاء في جامعة كامبريدج، المملكة المتحدة والتي قد توفر معلومات حول نقل حامل الشحنة وإعادة التركيب من قياس واحد. يقول كيرتشارتز: "نريد أيضًا استكشاف كيف يمكننا الحصول على رقم قياسي واحد من الجدارة لإعادة التركيب من اضمحلال قانون القوة التقريبي (على سبيل المثال، رقم بوحدة ترتبط جيدًا بمقياس "جيد إلى سيئ")". عالم الفيزياء. "قد يكون هذا أقل وضوحًا من الاضمحلال الأسي، لكنه لا يزال ممكنًا".

ونشرت الدراسة في مواد الطبيعة.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/shallow-defects-drive-slow-recombination-high-efficiency-in-perovskite-solar-cells/