פגמים רדודים מניעים ריקומבינציה איטית, יעילות גבוהה בתאי שמש פרוסקיט - עולם הפיזיקה

היעילות הגבוהה להפליא של תאים סולאריים העשויים מחומרים הנקראים פרוסקיטים תמהה מדענים כבר כמעט 20 שנה. כעת, חוקרים ב Forschungszentrum Jülich (FZJ) בגרמניה אומרים שהם מצאו הסבר. על ידי חקר הפוטו-לומינצנציית של החומרים על פני טווח דינמי רחב, הם הראו כי נושאי מטען חופשיים (אלקטרונים וחורים) בתאי שמש פרוסקיט מתחברים לאט מאוד, מגדילים את משך החיים של הנשאים ומגבירים את יעילות התאים. עבודתם גם גילתה כי פגמים רדודים בחומר ממלאים תפקיד חשוב ברקומבינציה כאשר הוא מתרחש - ידע שיכול לעזור למדענים להגדיל את היעילות עוד יותר.

תאים סולאריים מייצרים חשמל כאשר פוטונים מאור השמש מעוררים אלקטרונים מרצועת ערכיות בעלת אנרגיה נמוכה יותר בחומר התא לרצועת הולכה בעלת אנרגיה גבוהה יותר. ברגע שזה קורה, גם האלקטרונים וגם החורים הטעונים בחיוב שהם משאירים מאחור יכולים לנוע בחופשיות, וליצור זרם חשמלי. הבעיה היא שהאלקטרונים והחורים המושרים בפוטו מתחברים בסופו של דבר, וכשזה קורה, הם כבר לא תורמים לזרימת הזרם. תהליך ריקומבינציה זה הוא המניע העיקרי של חוסר יעילות בתאים סולאריים.

טריגר עיקרי לרקומבינציה הוא הפגמים הנוצרים באופן טבעי בחומרי תאים סולאריים במהלך הייצור. חוקרים חשבו בעבר שהאשמים העיקריים הם פגמים הממוקמים אנרגטית באמצע הדרך בין רצועות הערכיות וההולכה. "זה בגלל ש'פגמים עמוקים' אלה נגישים באופן דומה לאלקטרונים נרגשים ולמקביליהם, החורים," מסביר תומס קירכרץ, פיזיקאי ב-FZJ שהוביל את המחקר.

תאי שמש פרוסקיט שונים

קירכרץ ועמיתיו, לעומת זאת, הראו שזה לא המקרה בתאים סולאריים העשויים מפרובסקיטים. לחומרים אלו יש ABX₃ מבנה כימי (כאשר A הוא צזיום ומתיל אמוניום (MA) או פורמידיניום (FA), B הוא עופרת או בדיל ו-X הוא כלור, ברום או יוד), וצוות FZJ הראה שעבורם, פגמים רדודים - כלומר, ליקויים הממוקמים לא באמצע פער הלהקה, אלא קרוב לרצועות הערכיות או ההולכה - ממלאים תפקיד חשוב יותר ברקומבינציה.

הצוות השיג תוצאה זו הודות לטכניקת פוטו-luminescence חדשה שיכולה למדוד מגוון רחב יותר של עוצמות אור ברזולוציה טובה יותר. גישה זו, המתאפשרת על ידי הצבת אותות מוגברים בהיקפים שונים, פירושה שהם יכולים להבחין בין תהליכי אובדן שנגרמו על ידי פגמים רדודים מאלה שנגרמו על ידי פגמים עמוקים - דבר שלא היה אפשרי במדידות קודמות.

"בעבר, ההנחה הייתה שפגמים עמוקים (גם אם הצפיפות שלהם נמוכה) שולטים ברקומבינציה בגלל מודל המתנד ההרמוני מנבא את זה", מסביר קירכרץ. "עם זאת, ידוע כי פרוסקיטים אינם מצייתים למודל הזה, מה שאומר שאלקטרונים יכולים להתחבר לכמה מצבים מרוחקים מבחינה אנרגטית."

על ידי ביצוע המדידות שלהם לאורך סולמות זמן הנעים בין ננו-שניות ל-170 מיקרו-שניות ועל פני עוצמות אור המשתרעות על פני תשעה עד 10 סדרי גודל, החוקרים מצאו שזמן ההתפרקות הדיפרנציאלי של נושאי המטען בדגימות שלהם (Cs_0.05FA_0.73MA_0.22PBI_2.56Br_0.44 סרטי פרוסקיט משולש קטיון) מציית לחוק כוח. זוהי עדות חזקה לכך שלמדגם שלהם יש מעט מאוד פגמים עמוקים ושפגמים רדודים שולטים ברקומבינציה, הם אומרים. "נוכחותם של פגמים רדודים נחזו תיאורטית רק קודם לכן, אבל כמעט אף פעם לא הניחו שזה יהיה כל כך חשוב בהקשר הזה", אומר קירכרץ.

תאים סולאריים של Perovskite מגיעים לאבני דרך חדשות ליציבות ויעילות

החוקרים מקווים שעבודתם תשנה את האופן שבו מנתח הרקומבינציה בסרטי ומכשירי פרוסקיט. "אנו רואים במחקר שלנו תרומה לרעיון של הסבר כיצד לבצע מדידות מסוימות כדי להשיג נתונים כמותיים שיכולים להבחין בין מודלים שונים", אומר קירכרץ. "אנחנו רוצים להתרחק ממחקר השוואתי שאומר: 'המדגם החדש שלי טוב יותר מדגימות קודמות, ראה ניסוי א', ב' ו-ג'. במקום זאת, אנחנו רוצים שניתוח הנתונים יהיה כמותי יותר".

במבט קדימה, צוות FZJ רוצה כעת לשלב את הגישה שלו עם אחרת תואר לאחרונה על ידי עמיתים מאוניברסיטת קיימברידג', בריטניה שעשוי לספק מידע על הובלת נושאת תשלום ושילוב מחדש ממדידה אחת. "אנחנו גם רוצים לחקור כיצד נוכל להשיג נתון יחיד וסקלרי של הכשרון עבור ריקומבינציה מדעיכה משוערת של חוקי הכוח (לדוגמה, מספר עם יחידה שמתאמת היטב עם סולם של 'טוב לרע')", אומר קירכרץ. עולם הפיזיקה. "זה עשוי להיות פחות פשוט מאשר עבור דעיכה אקספוננציאלית, אבל עדיין צריך להיות אפשרי."

המחקר פורסם ב חומרי טבע.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/shallow-defects-drive-slow-recombination-high-efficiency-in-perovskite-solar-cells/