Τα ρηχά ελαττώματα οδηγούν σε αργό ανασυνδυασμό, υψηλή απόδοση σε ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη – Physics World

Τα ρηχά ελαττώματα οδηγούν σε αργό ανασυνδυασμό, υψηλή απόδοση σε ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη – Physics World

Χρονική σήμανση: 7 Φεβρουαρίου 2024 9:31 π.μ.

Φωτογραφία της Genghua Yan που φοράει προστατευτικά γυαλιά λέιζερ καθώς χειρίζεται εξοπλισμό στο εργαστήριο
Σταθμός μέτρησης φωτοφωταύγειας: Το μέλος της ομάδας Genghua Yan ήταν υπεύθυνο για πολλές από τις μετρήσεις στη μελέτη. (Ευγενική προσφορά: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach)

Η εντυπωσιακά υψηλή απόδοση των ηλιακών κυψελών που κατασκευάζονται από υλικά που ονομάζονται περοβσκίτες έχει προβληματίσει τους επιστήμονες για σχεδόν 20 χρόνια. Τώρα, οι ερευνητές στο Forschungszentrum Jülich (FZJ) στη Γερμανία λένε ότι βρήκαν μια εξήγηση. Μελετώντας τη φωτοφωταύγεια των υλικών σε ένα ευρύ δυναμικό εύρος, έδειξαν ότι οι φορείς ελεύθερου φορτίου (ηλεκτρόνια και οπές) στα ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη ανασυνδυάζονται πολύ αργά, αυξάνοντας τη διάρκεια ζωής των φορέων και ενισχύοντας την απόδοση των κυψελών. Η εργασία τους αποκάλυψε επίσης ότι τα ρηχά ελαττώματα στο υλικό παίζουν σημαντικό ρόλο στον ανασυνδυασμό όταν συμβαίνει – γνώση που θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να αυξήσουν ακόμη περισσότερο την απόδοση.

Τα ηλιακά κύτταρα παράγουν ηλεκτρισμό όταν τα φωτόνια από το ηλιακό φως διεγείρουν ηλεκτρόνια από μια ζώνη σθένους χαμηλότερης ενέργειας στο υλικό της κυψέλης σε μια ζώνη αγωγιμότητας υψηλότερης ενέργειας. Μόλις συμβεί αυτό, τόσο τα ηλεκτρόνια όσο και οι θετικά φορτισμένες οπές που αφήνουν πίσω μπορούν να κινηθούν ελεύθερα, δημιουργώντας ένα ηλεκτρικό ρεύμα. Το πρόβλημα είναι ότι τα φωτοεπαγόμενα ηλεκτρόνια και οι οπές τελικά ανασυνδυάζονται και όταν συμβεί αυτό, δεν συμβάλλουν πλέον στη ροή του ρεύματος. Αυτή η διαδικασία ανασυνδυασμού είναι ο κύριος μοχλός της αναποτελεσματικότητας των ηλιακών κυψελών.

Ένα σημαντικό έναυσμα για τον ανασυνδυασμό είναι τα ελαττώματα που προκύπτουν φυσικά στα υλικά των ηλιακών κυψελών κατά την κατασκευή. Οι ερευνητές είχαν προηγουμένως σκεφτεί ότι οι κύριοι ένοχοι ήταν ελαττώματα που βρίσκονται ενεργειακά στη μέση μεταξύ των ζωνών σθένους και αγωγιμότητας. «Αυτό συμβαίνει επειδή αυτά τα «βαθιά ελαττώματα» είναι παρόμοια προσβάσιμα στα διεγερμένα ηλεκτρόνια και στα αντίστοιχα τους, τις τρύπες», εξηγεί. Thomas Kirchartz, ένας φυσικός στο FZJ που ηγήθηκε της μελέτης.

Τα ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη είναι διαφορετικά

Ο Kirchartz και οι συνεργάτες του, ωστόσο, έδειξαν ότι αυτό δεν συμβαίνει στα ηλιακά κύτταρα που κατασκευάζονται από περοβσκίτες. Αυτά τα υλικά έχουν ABX3 χημική δομή (όπου το Α είναι καίσιο και μεθυλαμμώνιο (MA) ή φορμαμιδίνιο (FA), το Β είναι μόλυβδος ή κασσίτερος και το Χ είναι χλώριο, βρώμιο ή ιώδιο) και η ομάδα του FZJ έδειξε ότι γι 'αυτούς, ρηχά ελαττώματα - δηλαδή ελαττώματα που εντοπίζονται όχι στη μέση του κενού ζώνης, αλλά κοντά στις ζώνες σθένους ή αγωγιμότητας – παίζουν σημαντικότερο ρόλο στον ανασυνδυασμό.

Η ομάδα έλαβε αυτό το αποτέλεσμα χάρη σε μια νέα τεχνική φωτοφωταύγειας που μπορεί να μετρήσει ένα ευρύτερο φάσμα εντάσεων φωτός με καλύτερη ανάλυση. Αυτή η προσέγγιση, που έγινε δυνατή με την υπέρθεση σημάτων που ενισχύονται σε διαφορετικούς βαθμούς, σημαίνει ότι μπορούν να διακρίνουν τις διαδικασίες απώλειας που προκαλούνται από ρηχά ελαττώματα από εκείνες που προκαλούνται από βαθιά ελαττώματα – κάτι που δεν ήταν δυνατό σε προηγούμενες μετρήσεις.

«Στο παρελθόν, εθεωρείτο ότι τα βαθιά ελαττώματα (ακόμα και αν η πυκνότητά τους είναι χαμηλή) κυριαρχούν στον ανασυνδυασμό επειδή το μοντέλο του αρμονικού ταλαντωτή προβλέπει αυτό», εξηγεί ο Kirchartz. «Ωστόσο, οι περοβσκίτες είναι γνωστό ότι δεν υπακούουν σε αυτό το μοντέλο, πράγμα που σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν να συζευχθούν σε ορισμένες ενεργειακά απομακρυσμένες καταστάσεις».

Εκτελώντας τις μετρήσεις τους σε χρονικές κλίμακες που κυμαίνονται από νανοδευτερόλεπτα έως 170 μs και σε εντάσεις φωτός που εκτείνονται από εννέα έως 10 τάξεις μεγέθους, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ο διαφορικός χρόνος αποσύνθεσης των φορέων φορτίου στα δείγματά τους (Cs0.05FA0.73MA0.22PBI2.56Br0.44 μεμβράνες περοβσκίτη τριπλού κατιόντος) υπακούει σε έναν νόμο ισχύος. Αυτό είναι ισχυρή απόδειξη ότι το δείγμα τους έχει πολύ λίγα βαθιά ελαττώματα και ότι τα ρηχά ελαττώματα κυριαρχούν στον ανασυνδυασμό, λένε. «Η παρουσία ρηχών ελαττωμάτων είχε προβλεφθεί μόνο θεωρητικά στο παρελθόν, αλλά σχεδόν ποτέ δεν υποτέθηκε ότι θα ήταν τόσο σημαντική σε αυτό το πλαίσιο», λέει ο Kirchartz.

Οι ερευνητές ελπίζουν ότι η εργασία τους θα αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο αναλύεται ο ανασυνδυασμός σε μεμβράνες και συσκευές περοβσκίτη. «Βλέπουμε τη μελέτη μας ως συμβολή στην ιδέα να εξηγήσουμε πώς να εκτελούμε ορισμένες μετρήσεις για να αποκτήσουμε ποσοτικά δεδομένα που μπορούν να κάνουν διάκριση μεταξύ διαφορετικών μοντέλων», λέει ο Kirchartz. «Θέλουμε να απομακρυνθούμε από τη συγκριτική έρευνα που λέει: «Το νέο μου δείγμα είναι καλύτερο από τα προηγούμενα δείγματα, δείτε το πείραμα Α, Β και Γ». Αντίθετα, θέλουμε η ανάλυση των δεδομένων να είναι πιο ποσοτική».

Κοιτάζοντας μπροστά, η ομάδα του FZJ θα ήθελε τώρα να συνδυάσει την προσέγγισή της με μια άλλη περιγράφεται πρόσφατα από συναδέλφους στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ, UK που θα μπορούσε να παρέχει πληροφορίες σχετικά με τη μεταφορά και τον ανασυνδυασμό με φορέα φόρτισης από μία μόνο μέτρηση. «Θέλουμε επίσης να διερευνήσουμε πώς μπορούμε να αποκτήσουμε ένα ενιαίο, κλιμακωτό αξίωμα για ανασυνδυασμό από κατά προσέγγιση διασπάσεις του νόμου ισχύος (για παράδειγμα, ένας αριθμός με μια μονάδα που συσχετίζεται καλά με μια κλίμακα «καλού προς κακό»), λέει ο Kirchartz. Κόσμος Φυσικής. "Αυτό μπορεί να είναι λιγότερο απλό από ό,τι για τις εκθετικές αποσυνθέσεις, αλλά θα πρέπει να είναι ακόμα δυνατό."

Η μελέτη δημοσιεύεται στο Φύση Υλικά.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής