Lave defekter driver langsom rekombination, høj effektivitet i perovskit-solceller - Physics World

Lave defekter driver langsom rekombination, høj effektivitet i perovskit-solceller - Physics World

Tidsstempel: 7. februar 2024 kl. 9:31

Foto af Genghua Yan iført beskyttende laserbriller, mens hun manipulerer udstyr i laboratoriet
Fotoluminescens-målestation: Teammedlem Genghua Yan var ansvarlig for mange af målingerne i undersøgelsen. (Med høflighed: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach)

Den bemærkelsesværdigt høje effektivitet af solceller fremstillet af materialer kaldet perovskites har undret videnskabsmænd i næsten 20 år. Nu har forskere ved Forschungszentrum Jülich (FZJ) i Tyskland siger de har fundet en forklaring. Ved at studere materialernes fotoluminescens over et bredt dynamisk område viste de, at frie ladningsbærere (elektroner og huller) i perovskitsolceller rekombinerer meget langsomt, hvilket øger bærernes levetid og øger cellernes effektivitet. Deres arbejde afslørede også, at overfladiske defekter i materialet spiller en vigtig rolle i rekombination, når det opstår - viden, der kan hjælpe videnskabsmænd med at øge effektiviteten yderligere.

Solceller genererer elektricitet, når fotoner fra sollys exciterer elektroner fra et valensbånd med lavere energi i cellematerialet til et ledningsbånd med højere energi. Når dette sker, kan både elektronerne og de positivt ladede huller, de efterlader, bevæge sig frit og skabe en elektrisk strøm. Problemet er, at de fotoinducerede elektroner og huller til sidst rekombinerer, og når dette sker, bidrager de ikke længere til strømmen. Denne rekombinationsproces er den vigtigste drivkraft for ineffektivitet i solceller.

En væsentlig trigger for rekombination er de defekter, der opstår naturligt i solcellematerialer under fremstilling. Forskere havde tidligere troet, at hovedsynderne var defekter, der er energetisk placeret midt mellem valens- og ledningsbåndene. "Dette skyldes, at disse 'dybe defekter' på samme måde er tilgængelige for exciterede elektroner og deres modstykker, hullerne," forklarer Thomas Kirchartz, en fysiker ved FZJ, der ledede undersøgelsen.

Perovskit solceller er forskellige

Kirchartz og kolleger viste dog, at dette ikke er tilfældet i solceller lavet af perovskiter. Disse materialer har en ABX3 kemisk struktur (hvor A er cæsium og methylammonium (MA) eller formamidinium (FA), B er bly eller tin, og X er klor, brom eller jod), og FZJ-holdet viste, at for dem var overfladiske defekter - det vil sige defekter lokaliseret ikke i midten af ​​båndgabet, men tæt på valens- eller ledningsbåndene – spiller en vigtigere rolle ved rekombination.

Holdet opnåede dette resultat takket være en ny fotoluminescensteknik, der kan måle et bredere udvalg af lysintensiteter med en bedre opløsning. Denne tilgang, der er muliggjort ved at overlejre signaler, der er forstærket i forskelligt omfang, betyder, at de kan skelne tabsprocesser forårsaget af overfladiske defekter fra dem, der er forårsaget af dybe defekter - noget der ikke var muligt i tidligere målinger.

"Tidligere blev det antaget, at dybe defekter (selvom deres tæthed er lav) dominerer rekombination, fordi den harmoniske oscillatormodel forudsiger dette,” forklarer Kirchartz. "Perovskites er dog kendt for at være ulydige mod denne model, hvilket betyder, at elektroner kan kobles til nogle energisk fjerne tilstande."

Ved at udføre deres målinger over tidsskalaer, der spænder fra nanosekunder til 170 µs og over lysintensiteter, der spænder over ni til 10 størrelsesordener, fandt forskerne, at den differentielle henfaldstid for ladningsbærere i deres prøver (Cs)0.05FA0.73MA0.22PBI2.56Br0.44 triple-kation perovskite film) adlyder en magtlov. Dette er et stærkt bevis på, at deres prøve har meget få dybe defekter, og at overfladiske defekter dominerer rekombination, siger de. "Tilstedeværelsen af ​​overfladiske defekter var kun blevet teoretisk forudsagt før, men det blev næppe nogensinde antaget, at det ville være så vigtigt i denne sammenhæng," siger Kirchartz.

Forskerne håber, at deres arbejde vil ændre den måde, hvorpå rekombination i perovskitfilm og -apparater analyseres. "Vi ser vores undersøgelse som et bidrag til ideen om at forklare, hvordan man udfører bestemte målinger for at opnå kvantitative data, der kan skelne mellem forskellige modeller," siger Kirchartz. "Vi ønsker at gå væk fra sammenlignende forskning, der siger: 'Min nye prøve er bedre end tidligere prøver, se eksperiment A, B og C.' I stedet ønsker vi, at dataanalysen skal være mere kvantitativ.”

Når vi ser fremad, vil FZJ-holdet nu gerne kombinere sin tilgang med en anden for nylig beskrevet af kolleger ved University of Cambridge, Storbritannien, der kan give oplysninger om afgiftsselskabets transport og rekombination fra en enkelt måling. "Vi ønsker også at undersøge, hvordan vi kan opnå et enkelt, skalært værdital til rekombination fra tilnærmede magtlovsfald (for eksempel et tal med en enhed, der korrelerer godt med en skala fra 'god til dårlig')," fortæller Kirchartz Fysik verden. "Dette kan være mindre ligetil end for eksponentielle henfald, men det burde stadig være muligt."

Undersøgelsen er udgivet i Nature Materials.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden