Madalad defektid põhjustavad aeglast rekombinatsiooni, kõrge efektiivsusega perovskiit-päikesepatareid – Physics World

Perovskiitideks nimetatavatest materjalidest valmistatud päikesepatareide märkimisväärselt kõrge efektiivsus on teadlasi hämmingus pea 20 aastat. Nüüd, teadlased aadressil Forschungszentrum Jülich (FZJ) Saksamaal öeldakse, et nad on leidnud seletuse. Uurides materjalide fotoluminestsentsi laias dünaamilises vahemikus, näitasid nad, et vabad laengukandjad (elektronid ja augud) perovskiit päikesepatareides rekombineeruvad väga aeglaselt, pikendades kandjate eluiga ja suurendades rakkude efektiivsust. Nende töö näitas ka, et materjali madalad defektid mängivad rekombinatsioonis olulist rolli, kui see toimub – teadmised, mis võivad aidata teadlastel tõhusust veelgi suurendada.

Päikesepatareid toodavad elektrit, kui päikesevalguse footonid ergastavad elektrone rakumaterjali madalama energiaga valentsribalt kõrgema energiaga juhtivusribale. Kui see juhtub, saavad nii elektronid kui ka positiivselt laetud augud, mille nad maha jätavad, vabalt liikuda, tekitades elektrivoolu. Probleem on selles, et fotoindutseeritud elektronid ja augud lõpuks rekombineeruvad ja kui see juhtub, ei panusta nad enam voolu. See rekombinatsiooniprotsess on päikesepatareide ebatõhususe peamine põhjus.

Peamine rekombinatsiooni käivitaja on defektid, mis tekivad päikesepatareide materjalides tootmise ajal. Teadlased olid varem arvanud, et peamised süüdlased on defektid, mis asuvad energeetiliselt valents- ja juhtivusribade vahel. "Selle põhjuseks on asjaolu, et need" sügavad defektid" on samamoodi ligipääsetavad ergastatud elektronidele ja nende vastastele, aukudele, " selgitab. Thomas Kirchartz, uuringut juhtinud FZJ füüsik.

Perovskite päikesepatareid on erinevad

Kirchartz ja tema kolleegid näitasid aga, et perovskiitidest valmistatud päikesepatareide puhul see nii ei ole. Nendel materjalidel on ABX₃ keemiline struktuur (kus A on tseesium ja metüülammoonium (MA) või formamidiinium (FA), B on plii või tina ja X on kloor, broom või jood), ja FZJ meeskond näitas, et nende jaoks on madalad defektid, st defektid, mis asuvad mitte ribalõhe keskel, vaid valents- või juhtivusribade lähedal – mängivad rekombinatsioonis olulisemat rolli.

Meeskond saavutas selle tulemuse tänu uuele fotoluminestsentstehnikale, mis suudab mõõta suuremat eraldusvõimega valguse intensiivsust. See lähenemine, mis on võimalik erineval määral võimendatud signaalide pealepanemisega, tähendab, et nad suudavad eristada madalatest defektidest põhjustatud kaduprotsesse sügavatest defektidest põhjustatud kadudest – see ei olnud varasemate mõõtmiste puhul võimalik.

"Varem eeldati, et sügavad defektid (isegi kui nende tihedus on madal) domineerivad rekombinatsioonis, kuna harmoonilise ostsillaatori mudel ennustab seda,” selgitab Kirchartz. "Kuid on teada, et perovskiidid ei järgi seda mudelit, mis tähendab, et elektronid võivad seostuda mõne energeetiliselt kauge olekuga."

Mõõtmiste ajal nanosekunditest kuni 170 µs ja valguse intensiivsusega üheksa kuni kümne suurusjärgu ulatuses leidsid teadlased, et nende proovide laengukandjate diferentsiaalne lagunemisaeg (Cs_0.05FA_0.73MA_0.22PbI_2.56Br_0.44 kolmekordse katiooniga perovskiitkiled) järgib võimuseadust. See on tugev tõend selle kohta, et nende proovil on väga vähe sügavaid defekte ja et madalad defektid domineerivad rekombinatsioonis, ütlevad nad. "Madalate defektide olemasolu oli varem ainult teoreetiliselt ennustatud, kuid vaevalt kunagi eeldati, et see oleks selles kontekstis nii oluline, " ütleb Kirchartz.

Perovskite päikesepatareid saavutavad stabiilsuse ja tõhususe uued verstapostid

Teadlased loodavad, et nende töö muudab perovskiitkilede ja -seadmete rekombinatsiooni analüüsimise viisi. "Me näeme oma uuringut panusena ideesse selgitada, kuidas teha teatud mõõtmisi, et saada kvantitatiivseid andmeid, mis võivad eri mudeleid eristada, " ütleb Kirchartz. "Tahame loobuda võrdlevast uuringust, mis ütleb: "Minu uus proov on parem kui eelmised proovid, vt katseid A, B ja C." Selle asemel tahame, et andmete analüüs oleks kvantitatiivsem.

Tulevikku vaadates soovib FZJ meeskond nüüd ühendada oma lähenemisviisi teisega kirjeldasid hiljuti kolleegid Cambridge'i ülikoolist, Ühendkuningriik, mis võib anda teavet laengukandjate transpordi ja rekombinatsiooni kohta ühest mõõtmisest. "Samuti tahame uurida, kuidas saaksime ligikaudse võimsusseaduse lagunemise põhjal rekombinatsiooni jaoks ühe skalaarse väärtuse (näiteks arv ühikuga, mis korreleerub hästi skaalaga "heast halvaks")," räägib Kirchartz. Füüsika maailm. "See võib olla vähem lihtne kui eksponentsiaalse lagunemise korral, kuid see peaks siiski olema võimalik."

Uuring avaldati aastal Nature Materials.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/shallow-defects-drive-slow-recombination-high-efficiency-in-perovskite-solar-cells/