نقص های کم عمق باعث ایجاد نوترکیبی آهسته و راندمان بالا در سلول های خورشیدی پروسکایت می شود - دنیای فیزیک

راندمان فوق العاده بالای سلول های خورشیدی ساخته شده از موادی به نام پروسکایت، تقریباً 20 سال است که دانشمندان را متحیر کرده است. اکنون، محققان در Forschungszentrum Jülich (FZJ) در آلمان می گویند که توضیحی پیدا کرده اند. با مطالعه فوتولومینسانس مواد در یک محدوده دینامیکی گسترده، آنها نشان دادند که حامل‌های بار آزاد (الکترون‌ها و سوراخ‌ها) در سلول‌های خورشیدی پروسکایت بسیار آهسته با هم ترکیب می‌شوند و باعث افزایش طول عمر حامل‌ها و افزایش کارایی سلول‌ها می‌شوند. کار آنها همچنین نشان داد که نقص‌های کم عمق در مواد نقش مهمی در ترکیب مجدد بازی می‌کنند - دانشی که می‌تواند به دانشمندان در افزایش کارایی بیشتر کمک کند.

سلول‌های خورشیدی زمانی که فوتون‌های نور خورشید، الکترون‌ها را از باند ظرفیت با انرژی پایین‌تر در ماده سلول به نوار رسانایی با انرژی بالاتر تحریک می‌کنند، الکتریسیته تولید می‌کنند. هنگامی که این اتفاق می افتد، هم الکترون ها و هم حفره های دارای بار مثبت که پشت سرشان باقی می گذارند می توانند آزادانه حرکت کنند و جریان الکتریکی ایجاد کنند. مشکل این است که الکترون‌ها و حفره‌های القا شده با نور در نهایت دوباره ترکیب می‌شوند و وقتی این اتفاق می‌افتد، دیگر به جریان جریان کمک نمی‌کنند. این فرآیند نوترکیبی، محرک اصلی ناکارآمدی در سلول‌های خورشیدی است.

یک محرک اصلی برای نوترکیب، نقص هایی است که به طور طبیعی در مواد سلول خورشیدی در طول تولید ایجاد می شود. محققان قبلاً فکر می کردند که مقصر اصلی نقص هایی هستند که از نظر انرژی در وسط راه بین باندهای ظرفیت و هدایت قرار دارند. توضیح می‌دهد: «این به این دلیل است که این «نقایص عمیق» به طور مشابه برای الکترون‌های برانگیخته و همتایان آن‌ها، حفره‌ها قابل دسترسی هستند. توماس کرچارتز، یک فیزیکدان در FZJ که این مطالعه را رهبری کرد.

سلول های خورشیدی پروسکایت متفاوت هستند

با این حال، کرچارتز و همکارانش نشان دادند که این مورد در سلول های خورشیدی ساخته شده از پروسکایت ها صادق نیست. این مواد دارای ABX هستند₃ ساختار شیمیایی (که در آن A سزیم و متیل آمونیوم (MA) یا فرمیدینیم (FA) است، B سرب یا قلع و X کلر، برم یا ید است) و تیم FZJ نشان داد که برای آنها، عیوب کم عمق - یعنی عیوب واقع شده است. نه در وسط شکاف باند، بلکه نزدیک به باندهای ظرفیت یا هدایت - نقش مهم تری در نوترکیب بازی می کنند.

این تیم به لطف تکنیک جدید فوتولومینسانس که می تواند طیف وسیع تری از شدت نور را با وضوح بهتر اندازه گیری کند، به این نتیجه دست یافت. این رویکرد، که با روی هم قرار دادن سیگنال‌های تقویت‌شده به میزان‌های مختلف امکان‌پذیر شده است، به این معنی است که می‌توانند فرآیندهای تلفات ناشی از نقص‌های کم عمق را از موارد ناشی از نقص‌های عمیق تشخیص دهند - چیزی که در اندازه‌گیری‌های قبلی امکان‌پذیر نبود.

در گذشته، فرض بر این بود که عیوب عمیق (حتی اگر چگالی آنها کم باشد) بر نوترکیب غالب است زیرا مدل نوسانگر هارمونیک این را پیش بینی می کندکیرشارتز توضیح می دهد. با این حال، پروسکایت‌ها از این مدل اطاعت نمی‌کنند، به این معنی که الکترون‌ها می‌توانند به برخی از حالت‌های دور از انرژی متصل شوند.

محققان با انجام اندازه‌گیری‌های خود در مقیاس‌های زمانی از نانوثانیه تا 170 میکروثانیه و بیش از شدت‌های نور با قدر 10 تا XNUMX، دریافتند که زمان فروپاشی تفاضلی حامل‌های بار در نمونه‌هایشان (Cs)_0.05FA_0.73MA_0.22PbI_2.56Br_0.44 فیلم پروسکایت سه کاتیونی) از قانون قدرت پیروی می کند. آنها می گویند که این شواهد قوی نشان می دهد که نمونه آنها دارای نقص های عمیق بسیار کمی است و نقص های کم عمق بر ترکیب مجدد غالب است. کرچارتز می‌گوید: «وجود عیوب کم‌عمق فقط از لحاظ نظری قبلاً پیش‌بینی شده بود، اما به سختی تصور می‌شد که در این زمینه تا این حد مهم باشد».

سلول های خورشیدی پروسکایت به نقاط عطف جدیدی برای پایداری و کارایی می رسند

محققان امیدوارند که کار آنها روش تجزیه و تحلیل نوترکیب در فیلم ها و دستگاه های پروسکایت را تغییر دهد. کرچارتز می‌گوید: «ما مطالعه خود را کمکی به ایده توضیح نحوه انجام اندازه‌گیری‌های خاص برای به دست آوردن داده‌های کمی می‌دانیم که می‌توانند بین مدل‌های مختلف تمایز قائل شوند. ما می خواهیم از تحقیقات مقایسه ای که می گوید: "نمونه جدید من بهتر از نمونه های قبلی است، آزمایش A، B و C را ببینید." در عوض، ما می‌خواهیم تحلیل داده‌ها کمی بیشتر باشد.»

با نگاه به آینده، تیم FZJ اکنون مایل است رویکرد خود را با رویکرد دیگری ترکیب کند اخیرا توسط همکاران در دانشگاه کمبریج توصیف شده است، انگلستان که ممکن است اطلاعاتی در مورد حمل و نقل حامل بار و ترکیب مجدد از یک اندازه گیری ارائه دهد. کرچارتز می‌گوید: «ما همچنین می‌خواهیم بررسی کنیم که چگونه می‌توانیم یک رقم منفرد و اسکالر شایستگی برای بازترکیب از کاهش تقریبی قانون قدرت (به عنوان مثال، عددی با واحدی که به خوبی با مقیاس «خوب به بد» همبستگی دارد) به دست آوریم.» دنیای فیزیک. این ممکن است نسبت به فروپاشی های نمایی کمتر ساده باشد، اما همچنان باید امکان پذیر باشد.

این مطالعه در مواد طبیعت.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/shallow-defects-drive-slow-recombination-high-efficiency-in-perovskite-solar-cells/