얕은 결함으로 인해 페로브스카이트 태양전지의 재결합 속도가 느려지고 효율이 높아짐 - Physics World

페로브스카이트라고 불리는 물질로 만들어진 태양전지의 놀랄 만큼 높은 효율은 거의 20년 동안 과학자들을 당황하게 했습니다. 이제 연구원들은 Forschungszentrum Jülich (FZJ) 독일에서는 설명을 찾았다고 합니다. 넓은 동적 범위에 걸쳐 물질의 광발광을 연구함으로써 그들은 페로브스카이트 태양 전지의 자유 전하 운반체(전자와 정공)가 매우 천천히 재결합하여 운반체의 수명을 늘리고 전지의 효율성을 높이는 것을 보여주었습니다. 그들의 연구는 또한 물질의 얕은 결함이 재결합이 일어날 때 중요한 역할을 한다는 사실을 밝혀냈습니다. 이는 과학자들이 효율성을 더욱 높이는 데 도움이 될 수 있는 지식입니다.

태양 전지는 햇빛의 광자가 전지 재료의 낮은 에너지 가전자대에서 높은 에너지 전도대로 전자를 여기시킬 때 전기를 생성합니다. 이런 일이 발생하면 전자와 전자가 남긴 양전하 정공이 자유롭게 움직여 전류를 생성할 수 있습니다. 문제는 광유도된 전자와 정공이 결국 재결합하고, 이런 일이 발생하면 더 이상 전류 흐름에 기여하지 않는다는 것입니다. 이러한 재결합 과정은 태양전지의 비효율성을 높이는 주요 원인입니다.

재결합의 주요 원인은 제조 과정에서 태양전지 재료에서 자연적으로 발생하는 결함입니다. 연구자들은 이전에 주요 원인이 원자가대와 전도대 사이의 중간에 에너지적으로 위치한 결함이라고 생각했습니다. 이는 이러한 '깊은 결함'이 여기된 전자와 그 대응물인 정공에 유사하게 접근할 수 있기 때문입니다. 토마스 커차츠, 연구를 주도한 FZJ의 물리학자.

페로브스카이트 태양전지는 다르다

그러나 Kirchartz와 동료들은 페로브스카이트로 만든 태양전지에서는 이것이 사실이 아니라는 것을 보여주었습니다. 이 자료에는 ABX가 있습니다.₃ 화학 구조(여기서 A는 세슘 및 메틸암모늄(MA) 또는 포름아미디늄(FA), B는 납 또는 주석, X는 염소, 브롬 또는 요오드) FZJ 팀은 이들에 대해 얕은 결함, 즉 위치에 있는 결함이 있음을 보여주었습니다. 밴드 갭의 중간이 아니라 원자가 또는 전도 밴드에 가까운 곳이 재결합에서 더 중요한 역할을 합니다.

연구팀은 더 나은 해상도로 더 넓은 범위의 빛 강도를 측정할 수 있는 새로운 광발광 기술 덕분에 이 결과를 얻었습니다. 서로 다른 정도로 증폭된 신호를 중첩함으로써 가능해진 이 접근 방식은 얕은 결함으로 인한 손실 프로세스와 깊은 결함으로 인한 손실 프로세스를 구별할 수 있음을 의미합니다. 이는 이전 측정에서는 불가능했던 것입니다.

“과거에는 고조파 발진기 모델이 있기 때문에 깊은 결함(밀도가 낮더라도)이 재결합을 지배한다고 가정했습니다. 이것을 예측한다"라고 Kirchartz는 설명합니다. 그러나 페로브스카이트는 이 모델을 따르지 않는 것으로 알려져 있는데, 이는 전자가 에너지적으로 멀리 떨어진 일부 상태와 결합될 수 있음을 의미합니다.

나노초에서 170 µs 범위의 시간 규모와 10에서 XNUMX 자릿수에 이르는 빛 강도에 걸쳐 측정을 수행함으로써 연구원들은 샘플에서 전하 캐리어의 차동 붕괴 시간(Cs_0.05FA_0.73MA_0.22PbI_2.56Br_0.44 삼중 양이온 페로브스카이트 필름)은 거듭제곱 법칙을 따릅니다. 이는 그들의 샘플에 깊은 결함이 거의 없으며 얕은 결함이 재조합을 지배한다는 강력한 증거라고 그들은 말합니다. Kirchartz는 "얕은 결함의 존재는 이전에는 이론적으로만 예측되었지만 이 맥락에서 그렇게 중요할 것이라고는 거의 가정하지 않았습니다"라고 말했습니다.

페로브스카이트 태양전지는 안정성과 효율성 측면에서 새로운 이정표를 세웠습니다.

연구원들은 그들의 연구가 페로브스카이트 필름과 장치의 재결합을 분석하는 방식을 변화시키기를 바라고 있습니다. Kirchartz는 "우리는 우리 연구가 다양한 모델을 구별할 수 있는 정량적 데이터를 얻기 위해 특정 측정을 수행하는 방법을 설명하는 아이디어에 기여했다고 봅니다."라고 말했습니다. “우리는 '새 샘플이 이전 샘플보다 낫습니다. 실험 A, B, C를 참조하세요.'라고 말하는 비교 연구에서 벗어나고 싶습니다. 대신 우리는 데이터 분석이 더욱 정량적으로 이루어지길 원합니다.”

앞으로 FZJ 팀은 이제 자신의 접근 방식을 다른 접근 방식과 결합하고 싶어합니다. 최근 케임브리지 대학의 동료들이 설명했습니다., 영국은 단일 측정을 통해 전하 캐리어 전송 및 재결합에 대한 정보를 제공할 수 있습니다. "우리는 또한 대략적인 멱법칙 붕괴(예: '좋음에서 나쁨'의 척도와 잘 상관되는 단위가 있는 숫자)로부터 재조합을 위한 단일 스칼라 성능 지수를 얻을 수 있는 방법을 탐구하고 싶습니다."라고 Kirchartz는 말합니다. 물리 세계. "이것은 지수 붕괴보다 덜 간단할 수 있지만 여전히 가능해야 합니다."

이 연구는 자연 재료.

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