Matalat viat edistävät hidasta rekombinaatiota, korkea hyötysuhde perovskiittisissa aurinkokennoissa – Physics World

Perovskiite-nimistä materiaaleista valmistettujen aurinkokennojen huomattavan korkea hyötysuhde on hämmentänyt tutkijoita lähes 20 vuoden ajan. Nyt tutkijat klo Forschungszentrum Jülich (FZJ) Saksassa sanotaan löytäneensä selityksen. Tutkimalla materiaalien fotoluminesenssia laajalla dynaamisella alueella, he osoittivat, että vapaat varauksenkantajat (elektronit ja reiät) perovskiittisissa aurinkokennoissa yhdistyvät hyvin hitaasti, mikä pidentää kantajien elinikää ja tehostaa kennojen tehokkuutta. Heidän työnsä paljasti myös, että materiaalin matalilla vioilla on tärkeä rooli rekombinaatiossa sen tapahtuessa – tieto, joka voi auttaa tutkijoita lisäämään tehokkuutta entisestään.

Aurinkokennot tuottavat sähköä, kun auringonvalon fotonit virittävät elektroneja alhaisemman energian valenssikaistalta solumateriaalissa korkeamman energian johtavuuskaistalle. Kun tämä tapahtuu, sekä elektronit että niiden jättämät positiivisesti varautuneet reiät voivat liikkua vapaasti luoden sähkövirran. Ongelmana on, että valoindusoidut elektronit ja reiät yhdistyvät lopulta uudelleen, ja kun näin tapahtuu, ne eivät enää vaikuta virtaan. Tämä rekombinaatioprosessi on tärkein syy aurinkokennojen tehottomuuteen.

Suurin rekombinaation laukaiseva tekijä ovat viat, joita syntyy luonnostaan ​​aurinkokennomateriaaleissa valmistuksen aikana. Tutkijat olivat aiemmin luulleet, että pääsyylliset olivat viat, jotka sijaitsevat energeettisesti valenssi- ja johtavuuskaistan puolivälissä. "Tämä johtuu siitä, että nämä "syvät viat" ovat samalla tavalla virittyneiden elektronien ja niiden vastineiden, reikien, ulottuvilla", selittää. Thomas Kirchartz, FZJ:n fyysikko, joka johti tutkimusta.

Perovskite aurinkokennot ovat erilaisia

Kirchartz ja kollegat osoittivat kuitenkin, että näin ei ole perovskiiteista valmistetuissa aurinkokennoissa. Näissä materiaaleissa on ABX₃ kemiallinen rakenne (jossa A on cesium ja metyyliammonium (MA) tai formamidinium (FA), B on lyijy tai tina ja X on kloori, bromi tai jodi), ja FZJ-tiimi osoitti, että heille matalat viat - eli viat, jotka sijaitsevat ei keskellä kaistaväliä, vaan lähellä valenssi- tai johtavuuskaistoja – niillä on tärkeämpi rooli rekombinaatiossa.

Tiimi sai tämän tuloksen uuden fotoluminesenssitekniikan ansiosta, jolla voidaan mitata laajempi valikoima valon intensiteettiä paremmalla resoluutiolla. Tämä lähestymistapa, jonka mahdollistaa eri määrin vahvistettujen signaalien päällekkäisyys, mahdollistaa sen, että ne pystyvät erottamaan matalien vikojen aiheuttamat menetysprosessit syvien vikojen aiheuttamista menetyksistä – mikä ei ollut mahdollista aiemmissa mittauksissa.

"Aiemmin oletettiin, että syvät viat (vaikka niiden tiheys olisi pieni) hallitsevat rekombinaatiota, koska harmoninen oskillaattorimalli ennustaa tätä”, Kirchartz selittää. "Perovskiittien tiedetään kuitenkin olevan tämän mallin vastaisia, mikä tarkoittaa, että elektronit voivat liittyä joihinkin energeettisesti etäisiin tiloihin."

Suorittamalla mittauksiaan nanosekunneista 170 µs:iin ja valon intensiteeteille, jotka ulottuvat yhdeksästä kymmeneen suuruusluokkaa, tutkijat havaitsivat, että niiden näytteissä olevien varauksenkuljettajien differentiaalinen vaimenemisaika (Cs_0.05FA_0.73MA_0.22PBI_2.56Br_0.44 kolmikationiperovskiittikalvot) noudattaa teholakia. Tämä on vahva todiste siitä, että heidän näytteessään on hyvin vähän syviä vikoja ja että matalat viat hallitsevat rekombinaatiota, he sanovat. "Mataloiden vikojen esiintyminen oli vain teoreettisesti ennustettu aiemmin, mutta tuskin koskaan oletettiin, että se olisi niin tärkeä tässä yhteydessä", Kirchartz sanoo.

Perovskite-aurinkokennot saavuttavat uusia virstanpylväitä vakauden ja tehokkuuden suhteen

Tutkijat toivovat, että heidän työnsä muuttaa tapaa, jolla perovskiittikalvoissa ja -laitteissa tapahtuvaa rekombinaatiota analysoidaan. "Näemme tutkimuksemme panoksena ajatukseen selittää, kuinka suorittaa tietyt mittaukset kvantitatiivisten tietojen saamiseksi, jotka voivat erottaa eri malleja", Kirchartz sanoo. "Haluamme luopua vertailevasta tutkimuksesta, jossa sanotaan: "Uusi näytteeni on parempi kuin aiemmat näytteeni, katso koe A, B ja C." Sen sijaan haluamme data-analyysin olevan kvantitatiivisempaa."

Tulevaisuudessa FZJ-tiimi haluaisi nyt yhdistää lähestymistapansa toiseen Cambridgen yliopiston kollegat kuvasivat äskettäin, Yhdistynyt kuningaskunta, joka saattaa tarjota tietoa varauksenkuljettajien kuljetuksesta ja rekombinaatiosta yhdestä mittauksesta. "Haluamme myös tutkia, kuinka voimme saada yhden skalaarisen rekombinaation ansioluvun likimääräisistä potenssilain vaimenemista (esimerkiksi luku, jonka yksikkö korreloi hyvin asteikon "hyvästä huonoon" kanssa), Kirchartz kertoo. Fysiikan maailma. "Tämä saattaa olla vähemmän yksinkertaista kuin eksponentiaaliset heikkenemiset, mutta sen pitäisi silti olla mahdollista."

Tutkimus julkaistaan Luonto Materiaalit.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/shallow-defects-drive-slow-recombination-high-efficiency-in-perovskite-solar-cells/