A sekély hibák lassítják a rekombinációt, nagy hatékonyságot biztosítanak a perovszkit napelemekben – Physics World

A perovszkitoknak nevezett anyagokból készült napelemek rendkívül magas hatásfoka közel 20 éve foglalkoztatja a tudósokat. Most a kutatók a Forschungszentrum Jülich (FZJ) Németországban azt mondják, hogy megtalálták a magyarázatot. Az anyagok fotolumineszcenciájának széles dinamikus tartományban történő vizsgálatával kimutatták, hogy a perovszkit napelemekben a szabad töltéshordozók (elektronok és lyukak) nagyon lassan rekombinálódnak, meghosszabbítva a hordozók élettartamát és növelve a cellák hatékonyságát. Munkájuk azt is feltárta, hogy az anyag sekély hibái fontos szerepet játszanak a rekombinációban, amikor az bekövetkezik – ez a tudás segítheti a tudósokat a hatékonyság további növelésében.

A napelemek akkor termelnek villamos energiát, amikor a napfény fotonjai a cella anyagában lévő alacsonyabb energiájú vegyértéksávból egy nagyobb energiájú vezetési sávba gerjesztik az elektronokat. Ha ez megtörténik, mind az elektronok, mind az általuk hátrahagyott pozitív töltésű lyukak szabadon mozoghatnak, elektromos áramot hozva létre. A probléma az, hogy a fotoindukált elektronok és lyukak végül újraegyesülnek, és amikor ez megtörténik, már nem járulnak hozzá az áram áramlásához. Ez a rekombinációs folyamat a fő oka a napelemek hatékonyságának csökkenésének.

A rekombináció egyik fő kiváltó oka a napelem anyagokban a gyártás során természetes módon fellépő hibák. A kutatók korábban úgy gondolták, hogy a fő bűnösök olyan hibák, amelyek energetikailag félúton helyezkednek el a vegyérték- és a vezetési sáv között. „Ez azért van, mert ezek a „mély hibák” hasonlóan hozzáférhetők a gerjesztett elektronok és megfelelőik, a lyukak számára” – magyarázza. Thomas Kirchartz, az FZJ fizikusa, aki a vizsgálatot vezette.

A perovskit napelemek különbözőek

Kirchartz és munkatársai azonban kimutatták, hogy ez nem így van a perovszkitokból készült napelemeknél. Ezek az anyagok ABX-el rendelkeznek₃ kémiai szerkezetét (ahol A cézium és metilammónium (MA) vagy formamidinium (FA), B ólom vagy ón, X pedig klór, bróm vagy jód), és az FZJ csapata kimutatta, hogy számukra a sekély hibák – vagyis a lokalizált hibák nem a sávközépen, hanem közel a vegyérték- vagy vezetési sávokhoz – fontosabb szerepet játszanak a rekombinációban.

A csapat ezt az eredményt egy új fotolumineszcencia technikának köszönheti, amely a fényintenzitás szélesebb tartományát, jobb felbontással képes mérni. Ez a megközelítés, amelyet a különböző mértékben erősített jelek egymásra helyezésével tesz lehetővé, lehetővé teszi, hogy meg tudják különböztetni a sekély hibák okozta veszteségfolyamatokat a mély hibák okozta veszteségektől – ez a korábbi mérések során nem volt lehetséges.

„Régebben azt feltételezték, hogy a mély hibák (még ha alacsony is a sűrűségük) uralják a rekombinációt, mivel a harmonikus oszcillátor modell ezt jósolja” – magyarázza Kirchartz. "A perovszkiták azonban köztudottan nem engedelmeskednek ennek a modellnek, ami azt jelenti, hogy az elektronok kapcsolódhatnak néhány energetikailag távoli állapothoz."

A nanoszekundumtól 170 µs-ig terjedő időskálán és kilenc-tíz nagyságrendig terjedő fényintenzitáson végzett mérésekkel a kutatók azt találták, hogy a mintáikban a töltéshordozók differenciális lecsengési ideje (Cs_0.05FA_0.73MA_0.22PbI_2.56Br_0.44 hármas kationos perovszkit filmek) hatványtörvénynek engedelmeskedik. Ez erős bizonyítéka annak, hogy a mintájukban nagyon kevés mély hiba van, és hogy a sekély hibák uralják a rekombinációt, mondják. "A sekély hibák jelenlétét korábban csak elméletileg jósolták meg, de aligha feltételezték, hogy ilyen fontos lenne ebben az összefüggésben" - mondja Kirchartz.

A perovskit napelemek új mérföldköveket értek el a stabilitás és a hatékonyság terén

A kutatók remélik, hogy munkájuk megváltoztatja a perovszkit filmekben és eszközökben történő rekombináció elemzésének módját. „Tanulmányunkat hozzájárulásnak tekintjük annak az ötletnek a megfejtéséhez, hogy miként kell elvégezni bizonyos méréseket, hogy kvantitatív adatokat kapjunk, amelyek megkülönböztethetik a különböző modelleket” – mondja Kirchartz. „El akarunk lépni az összehasonlító kutatástól, amely azt mondja: „Az új mintám jobb, mint a korábbi minták, lásd az A, B és C kísérletet.” Ehelyett azt akarjuk, hogy az adatelemzés kvantitatívabb legyen.”

Előretekintve az FZJ csapata most egy másikkal szeretné kombinálni a megközelítését nemrég írták le a Cambridge-i Egyetem munkatársai, Egyesült Királyság, amely egyetlen mérésből információt szolgáltathat a töltéshordozó transzportról és a rekombinációról. „Azt is szeretnénk megvizsgálni, hogyan kaphatunk egyetlen, skaláris érdemi számot a rekombinációhoz közelítő hatványtörvény-bomlásokból (például egy olyan szám, amelynek mértékegysége jól korrelál a „jótól a rosszig” skálával)” – mondja Kirchartz. Fizika Világa. "Ez talán kevésbé egyszerű, mint az exponenciális csökkenések esetében, de még mindig lehetséges."

A tanulmány közzétételre került Természeti anyagok.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/shallow-defects-drive-slow-recombination-high-efficiency-in-perovskite-solar-cells/