Difetti superficiali determinano una ricombinazione lenta e un'elevata efficienza nelle celle solari in perovskite - Physics World

L’efficienza straordinariamente elevata delle celle solari realizzate con materiali chiamati perovskiti ha lasciato perplessi gli scienziati per quasi 20 anni. Ora, i ricercatori di Centro Forschungszentrum Jülich (FZJ) in Germania dicono di aver trovato una spiegazione. Studiando la fotoluminescenza dei materiali su un ampio intervallo dinamico, hanno dimostrato che i portatori di carica libera (elettroni e lacune) nelle celle solari di perovskite si ricombinano molto lentamente, aumentando la durata dei portatori e aumentando l'efficienza delle celle. Il loro lavoro ha inoltre rivelato che i difetti superficiali nel materiale svolgono un ruolo importante nella ricombinazione quando avviene: una conoscenza che potrebbe aiutare gli scienziati ad aumentare ulteriormente l'efficienza.

Le celle solari generano elettricità quando i fotoni della luce solare eccitano gli elettroni da una banda di valenza a energia inferiore nel materiale cellulare a una banda di conduzione a energia più elevata. Una volta che ciò accade, sia gli elettroni che le lacune caricate positivamente che lasciano possono muoversi liberamente, creando una corrente elettrica. Il problema è che gli elettroni e le lacune fotoindotti alla fine si ricombinano e, quando ciò accade, non contribuiscono più al flusso di corrente. Questo processo di ricombinazione è il principale fattore di inefficienza delle celle solari.

Uno dei principali fattori scatenanti della ricombinazione sono i difetti che si presentano naturalmente nei materiali delle celle solari durante la produzione. I ricercatori avevano precedentemente pensato che i principali colpevoli fossero difetti che si trovano energeticamente a metà strada tra le bande di valenza e di conduzione. "Questo perché questi 'difetti profondi' sono accessibili allo stesso modo agli elettroni eccitati e alle loro controparti, le lacune", spiega Tommaso Kirchartz, un fisico della FZJ che ha guidato lo studio.

Le celle solari in perovskite sono diverse

Kirchartz e colleghi, tuttavia, hanno dimostrato che questo non è il caso delle celle solari realizzate con perovskiti. Questi materiali hanno un ABX₃ struttura chimica (dove A è cesio e metilammonio (MA) o formamidinio (FA), B è piombo o stagno e X è cloro, bromo o iodio) e il team FZJ ha dimostrato che per loro i difetti superficiali, cioè i difetti localizzati non nel mezzo della banda proibita, ma vicino alle bande di valenza o di conduzione – svolgono un ruolo più importante nella ricombinazione.

Il team ha ottenuto questo risultato grazie a una nuova tecnica di fotoluminescenza in grado di misurare una gamma più ampia di intensità luminose con una migliore risoluzione. Questo approccio, reso possibile dalla sovrapposizione di segnali amplificati in misura diversa, consente di distinguere i processi di perdita causati da difetti superficiali da quelli causati da difetti profondi, cosa che non era possibile nelle misurazioni precedenti.

“In passato, si presumeva che i difetti profondi (anche se la loro densità fosse bassa) dominassero la ricombinazione perché il modello dell’oscillatore armonico lo prevede”, spiega Kirchartz. “Tuttavia, è noto che le perovskiti disobbediscono a questo modello, il che significa che gli elettroni possono accoppiarsi ad alcuni stati energeticamente distanti”.

Eseguendo le misurazioni su scale temporali che vanno dai nanosecondi a 170 µs e su intensità di luce che vanno da nove a dieci ordini di grandezza, i ricercatori hanno scoperto che il tempo di decadimento differenziale dei portatori di carica nei loro campioni (Cs_0.05FA_0.73MA_0.22PBI_2.56Br_0.44 film di perovskite a triplo catione) obbedisce a una legge di potenza. Questa è una prova evidente del fatto che il loro campione presenta pochissimi difetti profondi e che i difetti superficiali dominano la ricombinazione, dicono. "La presenza di difetti superficiali era stata prevista solo teoricamente prima, ma non si era quasi mai pensato che sarebbe stata così importante in questo contesto", dice Kirchartz.

Le celle solari in perovskite raggiungono nuovi traguardi in termini di stabilità ed efficienza

I ricercatori sperano che il loro lavoro possa cambiare il modo in cui viene analizzata la ricombinazione nei film e nei dispositivi di perovskite. “Consideriamo il nostro studio come un contributo all’idea di spiegare come eseguire determinate misurazioni per ottenere dati quantitativi in ​​grado di discriminare tra diversi modelli”, afferma Kirchartz. "Vogliamo abbandonare la ricerca comparativa che dice: 'Il mio nuovo campione è migliore dei campioni precedenti, vedere l'esperimento A, B e C.' Vogliamo invece che l’analisi dei dati sia più quantitativa”.

Guardando al futuro, il team FZJ vorrebbe ora combinare il suo approccio con un altro recentemente descritto da colleghi dell’Università di Cambridge, Regno Unito, che potrebbe fornire informazioni sul trasporto e sulla ricombinazione dei portatori di carica da un'unica misurazione. "Vogliamo anche esplorare come possiamo ottenere un'unica figura scalare di merito per la ricombinazione da decadimenti approssimativi della legge di potenza (ad esempio, un numero con un'unità che si correla bene con una scala da 'buono a cattivo')", dice Kirchartz Mondo della fisica. “Questo potrebbe essere meno semplice rispetto ai decadimenti esponenziali, ma dovrebbe essere comunque possibile”.

Lo studio è pubblicato in Nature Materials.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/shallow-defects-drive-slow-recombination-high-efficiency-in-perovskite-solar-cells/