Cacat dangkal mendorong rekombinasi yang lambat dan efisiensi tinggi pada sel surya perovskit – Dunia Fisika

Cacat dangkal mendorong rekombinasi yang lambat dan efisiensi tinggi pada sel surya perovskit – Dunia Fisika

Stempel Waktu: 7 Februari 2024 9:31

Foto Genghua Yan mengenakan kacamata pelindung laser saat dia memanipulasi peralatan di laboratorium
Stasiun pengukuran fotoluminesensi: Anggota tim Genghua Yan bertanggung jawab atas banyak pengukuran dalam penelitian ini. (Sumber: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach)

Efisiensi sel surya yang sangat tinggi yang terbuat dari bahan yang disebut perovskit telah membingungkan para ilmuwan selama hampir 20 tahun. Sekarang, para peneliti di Forschungszentrum Jülich (FZJ) di Jerman mengatakan mereka telah menemukan penjelasannya. Dengan mempelajari fotoluminesensi material pada rentang dinamis yang luas, mereka menunjukkan bahwa pembawa muatan bebas (elektron dan lubang) dalam sel surya perovskit bergabung kembali dengan sangat lambat, sehingga meningkatkan masa hidup pembawa dan meningkatkan efisiensi sel. Penelitian mereka juga mengungkapkan bahwa cacat dangkal pada material memainkan peran penting dalam rekombinasi ketika terjadi – pengetahuan yang dapat membantu para ilmuwan meningkatkan efisiensi lebih jauh lagi.

Sel surya menghasilkan listrik ketika foton dari sinar matahari mengeksitasi elektron dari pita valensi berenergi lebih rendah dalam bahan sel ke pita konduksi energi lebih tinggi. Ketika ini terjadi, baik elektron maupun lubang bermuatan positif yang ditinggalkannya dapat bergerak bebas, menciptakan arus listrik. Masalahnya adalah elektron dan lubang yang diinduksi foto pada akhirnya bergabung kembali, dan ketika ini terjadi, mereka tidak lagi berkontribusi pada aliran arus. Proses rekombinasi ini adalah penyebab utama inefisiensi sel surya.

Pemicu utama rekombinasi adalah cacat yang muncul secara alami pada bahan sel surya selama produksi. Para peneliti sebelumnya mengira bahwa penyebab utama adalah cacat yang terletak di tengah-tengah antara pita valensi dan konduksi. “Hal ini karena 'cacat dalam' ini juga dapat diakses oleh elektron yang tereksitasi dan pasangannya, yaitu lubang,” jelasnya Thomas Kirchartz, seorang fisikawan di FZJ yang memimpin penelitian.

Sel surya perovskit berbeda

Kirchartz dan rekannya, bagaimanapun, menunjukkan bahwa hal ini tidak terjadi pada sel surya yang terbuat dari perovskit. Bahan-bahan ini memiliki ABX3 struktur kimia (dimana A adalah cesium dan metilamonium (MA) atau formamidinium (FA), B adalah timbal atau timah dan X adalah klorin, brom atau yodium), dan tim FZJ menunjukkan bahwa bagi mereka, cacat dangkal – yaitu, cacat terletak tidak berada di tengah-tengah celah pita, namun dekat dengan pita valensi atau pita konduksi – memainkan peran yang lebih penting dalam rekombinasi.

Tim memperoleh hasil ini berkat teknik fotoluminesensi baru yang dapat mengukur intensitas cahaya lebih luas dengan resolusi lebih baik. Pendekatan ini, yang dimungkinkan dengan melapiskan sinyal yang diperkuat ke tingkat yang berbeda, berarti mereka dapat membedakan proses kerugian yang disebabkan oleh cacat dangkal dan yang disebabkan oleh cacat dalam – sesuatu yang tidak mungkin dilakukan pada pengukuran sebelumnya.

“Di masa lalu, diasumsikan bahwa cacat dalam (meskipun kepadatannya rendah) mendominasi rekombinasi karena model osilator harmonik memprediksi hal ini,” jelas Kirchartz. “Namun, perovskit diketahui tidak mematuhi model ini, yang berarti bahwa elektron dapat berpasangan pada keadaan yang sangat jauh.”

Dengan melakukan pengukuran dalam skala waktu mulai dari nanodetik hingga 170 µs dan intensitas cahaya yang mencakup sembilan hingga 10 kali lipat, para peneliti menemukan bahwa perbedaan waktu peluruhan pembawa muatan dalam sampel mereka (Cs0.05FA0.73MA0.22PbI2.56Br0.44 film perovskit triple-kation) mematuhi hukum pangkat. Ini adalah bukti kuat bahwa sampel mereka memiliki sangat sedikit cacat dalam dan cacat dangkal mendominasi rekombinasi, kata mereka. “Keberadaan cacat dangkal hanya diprediksi secara teoritis sebelumnya, namun hampir tidak pernah diasumsikan bahwa hal ini akan menjadi sangat penting dalam konteks ini,” kata Kirchartz.

Para peneliti berharap bahwa pekerjaan mereka akan mengubah cara analisis rekombinasi dalam film dan perangkat perovskit. “Kami melihat penelitian kami sebagai kontribusi terhadap gagasan untuk menjelaskan bagaimana melakukan pengukuran tertentu untuk mendapatkan data kuantitatif yang dapat membedakan model yang berbeda,” kata Kirchartz. “Kami ingin menjauh dari penelitian komparatif yang mengatakan: 'Sampel baru saya lebih baik dari sampel sebelumnya, lihat eksperimen A, B, dan C.' Sebaliknya, kami ingin analisis datanya lebih kuantitatif.”

Ke depan, tim FZJ kini ingin menggabungkan pendekatannya dengan pendekatan lain baru-baru ini dijelaskan oleh rekan-rekannya di Universitas Cambridge, Inggris yang mungkin memberikan informasi tentang pengangkutan pembawa muatan dan rekombinasi dari satu pengukuran. “Kami juga ingin mengeksplorasi bagaimana kami dapat memperoleh satu angka skalar yang bermanfaat untuk rekombinasi dari perkiraan peluruhan hukum pangkat (misalnya, angka dengan satuan yang berkorelasi baik dengan skala 'baik hingga buruk'),” kata Kirchartz. Dunia Fisika. “Ini mungkin tidak semudah peluruhan eksponensial, tetapi masih bisa dilakukan.”

Penelitian ini dipublikasikan di Bahan Alam.

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika