Flache Defekte sorgen für langsame Rekombination und hohe Effizienz in Perowskit-Solarzellen – Physics World

Die bemerkenswert hohe Effizienz von Solarzellen aus Materialien namens Perowskite gibt Wissenschaftlern seit fast 20 Jahren Rätsel auf. Jetzt haben Forscher von Forschungszentrum Jülich (FZJ) In Deutschland sagen sie, sie hätten eine Erklärung gefunden. Durch die Untersuchung der Photolumineszenz der Materialien über einen weiten Dynamikbereich zeigten sie, dass freie Ladungsträger (Elektronen und Löcher) in Perowskit-Solarzellen sehr langsam rekombinieren, was die Lebensdauer der Träger verlängert und die Effizienz der Zellen steigert. Ihre Arbeit ergab auch, dass flache Defekte im Material eine wichtige Rolle bei der Rekombination spielen – Erkenntnisse, die Wissenschaftlern dabei helfen könnten, die Effizienz noch weiter zu steigern.

Solarzellen erzeugen Strom, wenn Photonen des Sonnenlichts Elektronen aus einem Valenzband niedrigerer Energie im Zellmaterial in ein Leitungsband höherer Energie anregen. Sobald dies geschieht, können sich sowohl die Elektronen als auch die positiv geladenen Löcher, die sie hinterlassen, frei bewegen und einen elektrischen Strom erzeugen. Das Problem besteht darin, dass die photoinduzierten Elektronen und Löcher irgendwann wieder rekombinieren und dann nicht mehr zum Stromfluss beitragen. Dieser Rekombinationsprozess ist der Hauptgrund für die Ineffizienz von Solarzellen.

Ein wesentlicher Auslöser für die Rekombination sind Defekte, die bei der Herstellung von Solarzellenmaterialien auf natürliche Weise entstehen. Bisher hatten Forscher angenommen, dass die Hauptursache Defekte seien, die energetisch in der Mitte zwischen Valenz- und Leitungsband liegen. „Denn diese ‚tiefen Defekte‘ sind für angeregte Elektronen und ihre Gegenstücke, die Löcher, gleichermaßen zugänglich“, erklärt er Thomas Kirchartz, ein Physiker am FZJ, der die Studie leitete.

Perowskit-Solarzellen sind anders

Kirchartz und Kollegen zeigten jedoch, dass dies bei Solarzellen aus Perowskiten nicht der Fall ist. Diese Materialien haben ein ABX₃ chemische Struktur (wobei A für Cäsium und Methylammonium (MA) oder Formamidinium (FA), B für Blei oder Zinn und nicht in der Mitte der Bandlücke, sondern in der Nähe der Valenz- oder Leitungsbänder – spielen bei der Rekombination eine wichtigere Rolle.

Dieses Ergebnis erzielte das Team dank einer neuen Photolumineszenztechnik, die einen größeren Bereich von Lichtintensitäten mit besserer Auflösung messen kann. Dieser durch die Überlagerung unterschiedlich stark verstärkter Signale ermöglichte Ansatz erlaubt es, Verlustprozesse durch flache Defekte von denen durch tiefe Defekte zu unterscheiden, was bei bisherigen Messungen nicht möglich war.

„In der Vergangenheit wurde angenommen, dass tiefe Defekte (auch wenn ihre Dichte gering ist) aufgrund des harmonischen Oszillatormodells die Rekombination dominieren sagt dies voraus“, erklärt Kirchartz. „Es ist jedoch bekannt, dass Perowskite diesem Modell nicht gehorchen, was bedeutet, dass Elektronen an einige energetisch entfernte Zustände koppeln können.“

Durch die Durchführung ihrer Messungen über Zeitskalen von Nanosekunden bis 170 µs und über Lichtintensitäten von neun bis zehn Größenordnungen fanden die Forscher heraus, dass die unterschiedliche Abklingzeit der Ladungsträger in ihren Proben (Cs_0.05FA_0.73MA_0.22PbI_2.56Br_0.44 Perowskitfilme mit drei Kationen) gehorchen einem Potenzgesetz. Dies sei ein starker Beweis dafür, dass ihre Probe nur sehr wenige tiefe Defekte aufweist und dass flache Defekte die Rekombination dominieren, sagen sie. „Das Vorhandensein flacher Defekte wurde bisher nur theoretisch vorhergesagt, man ging aber kaum davon aus, dass sie in diesem Zusammenhang so wichtig sein würden“, sagt Kirchartz.

Perowskit-Solarzellen erreichen neue Meilensteine ​​in puncto Stabilität und Effizienz

Die Forscher hoffen, dass ihre Arbeit die Art und Weise verändern wird, wie die Rekombination in Perowskitfilmen und -geräten analysiert wird. „Wir sehen unsere Studie als einen Beitrag zur Idee, zu erklären, wie man bestimmte Messungen durchführt, um quantitative Daten zu erhalten, die zwischen verschiedenen Modellen unterscheiden können“, sagt Kirchartz. „Wir wollen uns von der vergleichenden Forschung verabschieden, die besagt: ‚Meine neue Probe ist besser als die vorherigen Proben, siehe Experiment A, B und C.‘ Stattdessen wollen wir, dass die Datenanalyse quantitativer erfolgt.“

Mit Blick auf die Zukunft möchte das FZJ-Team nun seinen Ansatz mit einem anderen kombinieren kürzlich von Kollegen der Universität Cambridge beschrieben, Großbritannien, das aus einer einzigen Messung Informationen zum Ladungsträgertransport und zur Rekombination liefern könnte. „Wir wollen auch untersuchen, wie wir aus ungefähren Potenzgesetzzerfällen eine einzelne skalare Gütezahl für die Rekombination erhalten können (zum Beispiel eine Zahl mit einer Einheit, die gut mit einer Skala von ‚gut bis schlecht‘ korreliert)“, erklärt Kirchartz Physik-Welt. „Das ist möglicherweise weniger einfach als bei exponentiellen Zerfällen, sollte aber dennoch möglich sein.“

Die Studie ist veröffentlicht in Nature Materials.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/shallow-defects-drive-slow-recombination-high-efficiency-in-perovskite-solar-cells/