浅い欠陥はペロブスカイト太陽電池の遅い再結合と高効率を促進 – Physics World

ペロブスカイトと呼ばれる材料から作られた太陽電池の驚くほど高い効率は、20年近く科学者を困惑させてきました。さて、研究者たちは、 ユーリッヒ運動センター (FZJ) ドイツでは説明が見つかったと述べている。広いダイナミックレンジにわたって材料のフォトルミネッセンスを研究することにより、彼らはペロブスカイト太陽電池の自由電荷キャリア（電子と正孔）が非常にゆっくりと再結合し、キャリアの寿命を延ばし、セルの効率を高めることを示した。彼らの研究は、材料の浅い欠陥が、再結合が発生した場合に重要な役割を果たすことも明らかにしました。この知識は、科学者が効率をさらに向上させるのに役立つ可能性があります。

太陽電池は、太陽光からの光子が電池材料の低エネルギーの価電子帯から高エネルギーの伝導帯に電子を励起すると電気を発生します。これが起こると、電子と電子が残した正に帯電した正孔の両方が自由に移動できるようになり、電流が発生します。問題は、光誘起電子と正孔が最終的に再結合し、これが起こると電流の流れに寄与しなくなることです。この再結合プロセスは、太陽電池の非効率性の主な原因です。

再結合の主なきっかけは、製造中に太陽電池材料に自然に生じる欠陥です。研究者らはこれまで、主な原因は価電子帯と伝導帯の中間にエネルギー的に位置する欠陥であると考えていた。 「これは、これらの『深い欠陥』が励起された電子とその対応物である正孔に同様に接近しやすいためです」と説明します。 トーマス・キルヒャルツ、研究を主導したFZJの物理学者。

ペロブスカイト太陽電池は違う

しかし、Kirchartzらは、ペロブスカイトから作られた太陽電池ではこれが当てはまらないことを示した。これらのマテリアルには ABX があります₃ 化学構造 (A はセシウムとメチルアンモニウム (MA) またはホルムアミジニウム (FA)、B は鉛またはスズ、X は塩素、臭素、またはヨウ素) を示し、FZJ チームは、浅い欠陥、つまり、位置が特定された欠陥が存在することを示しました。バンドギャップの中央ではなく、価電子帯または伝導帯の近くにあり、再結合においてより重要な役割を果たします。

研究チームは、より高い解像度でより広範囲の光強度を測定できる新しいフォトルミネッセンス技術のおかげでこの結果を得ました。このアプローチは、さまざまな程度に増幅された信号を重ね合わせることで可能になり、浅い欠陥によって引き起こされる損失プロセスと深い欠陥によって引き起こされる損失プロセスを区別できることを意味します。これは以前の測定では不可能でした。

「以前は、調和振動子モデルが存在するため、深い欠陥（密度が低い場合でも）が再結合を支配すると考えられていました。 これを予測します」とキルヒャルツ氏は説明します。 「しかし、ペロブスカイトはこのモデルに従わないことが知られています。これは、電子がエネルギー的に離れた状態と結合する可能性があることを意味します。」

研究者らは、ナノ秒から 170 μs の範囲の時間スケールと 10 ～ XNUMX 桁にわたる光強度にわたって測定を実行することにより、サンプル内の電荷キャリア (Cs) の減衰時間の差が小さいことを発見しました。_0.05FA_0.73MA_0.22PBI_2.56Br_0.44 トリプルカチオンペロブスカイト膜）はべき乗則に従います。これは、彼らのサンプルには深い欠陥がほとんどなく、浅い欠陥が再結合を支配していることを示す強力な証拠である、と彼らは言う。 「浅い欠陥の存在は、これまで理論的にのみ予測されていましたが、この状況においてこれほど重要になるとはほとんど想定されていませんでした」とカーヒャルツ氏は言う。

ペロブスカイト太陽電池が安定性と効率性の新たなマイルストーンに到達

研究者らは、自分たちの研究がペロブスカイト膜やデバイスにおける再結合の分析方法を変えることを期待している。 「私たちの研究は、さまざまなモデルを区別できる定量的データを取得するために特定の測定を実行する方法を説明するというアイデアへの貢献であると考えています」とキルヒャルツ氏は言います。 「私たちは、『新しいサンプルは以前のサンプルよりも優れています。実験 A、B、C を参照してください』というような比較研究からは脱却したいと考えています。その代わりに、データ分析をより定量的にしたいと考えています。」

今後に向けて、FZJ チームはそのアプローチを別のアプローチと組み合わせたいと考えています。 ケンブリッジ大学の同僚によって最近報告された, 英国では、単一の測定から電荷キャリアの輸送と再結合に関する情報が得られる可能性があります。 「また、近似べきべき乗則の減衰から、再結合の単一のスカラー性能指数 (たとえば、『良いものから悪いもの』のスケールとよく相関する単位を持つ数値) を取得する方法も検討したいと考えています」と Kirchartz 氏は語ります。 物理学の世界。 「これは指数関数的減衰の場合よりも簡単ではないかもしれませんが、それでも可能であるはずです。」

この研究は、 ネイチャーマテリアルズ.

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