Ondiepe defecten zorgen voor langzame recombinatie en hoge efficiëntie in perovskietzonnecellen – Physics World

De opmerkelijk hoge efficiëntie van zonnecellen gemaakt van materialen die perovskieten worden genoemd, heeft wetenschappers al bijna twintig jaar in verwarring gebracht. Nu, onderzoekers van Forschungszentrum Jülich (FZJ) in Duitsland zeggen een verklaring te hebben gevonden. Door de fotoluminescentie van de materialen over een breed dynamisch bereik te bestuderen, toonden ze aan dat vrije ladingsdragers (elektronen en gaten) in perovskietzonnecellen heel langzaam recombineren, waardoor de levensduur van de dragers wordt verlengd en de efficiëntie van de cellen wordt vergroot. Hun werk onthulde ook dat oppervlakkige defecten in het materiaal een belangrijke rol spelen bij recombinatie wanneer deze optreedt – kennis die wetenschappers zou kunnen helpen de efficiëntie nog verder te vergroten.

Zonnecellen genereren elektriciteit wanneer fotonen uit zonlicht elektronen exciteren van een valentieband met lagere energie in het celmateriaal naar een geleidingsband met hogere energie. Zodra dit gebeurt, kunnen zowel de elektronen als de positief geladen gaten die ze achterlaten vrij bewegen, waardoor een elektrische stroom ontstaat. Het probleem is dat de foto-geïnduceerde elektronen en gaten uiteindelijk recombineren, en wanneer dit gebeurt, dragen ze niet langer bij aan de stroomstroming. Dit recombinatieproces is de belangrijkste oorzaak van de inefficiëntie van zonnecellen.

Een belangrijke trigger voor recombinatie zijn de defecten die op natuurlijke wijze ontstaan ​​in zonnecelmaterialen tijdens de productie. Onderzoekers dachten eerder dat de belangrijkste boosdoeners defecten waren die zich energetisch halverwege tussen de valentie- en geleidingsbanden bevinden. “Dit komt omdat deze ‘diepe defecten’ op dezelfde manier toegankelijk zijn voor geëxciteerde elektronen en hun tegenhangers, de gaten”, legt hij uit. Thomas Kirchartz, een natuurkundige bij de FZJ die het onderzoek leidde.

Perovskiet-zonnecellen zijn anders

Kirchartz en collega’s lieten echter zien dat dit niet het geval is bij zonnecellen gemaakt van perovskieten. Deze materialen hebben een ABX₃ chemische structuur (waarbij A cesium en methylammonium (MA) of formamidinium (FA) is, B lood of tin is en X chloor, broom of jodium is), en het FZJ-team toonde aan dat voor hen oppervlakkige defecten – dat wil zeggen defecten die zich bevinden niet in het midden van de bandafstand, maar dichtbij de valentie- of geleidingsbanden – spelen een belangrijkere rol bij recombinatie.

Het team behaalde dit resultaat dankzij een nieuwe fotoluminescentietechniek die een breder scala aan lichtintensiteiten met een betere resolutie kan meten. Deze aanpak, mogelijk gemaakt door het superponeren van signalen die in verschillende mate zijn versterkt, betekent dat ze verliesprocessen veroorzaakt door oppervlakkige defecten kunnen onderscheiden van processen veroorzaakt door diepe defecten – iets dat bij eerdere metingen niet mogelijk was.

“In het verleden werd aangenomen dat diepe defecten (zelfs als hun dichtheid laag is) de recombinatie domineren, omdat het harmonische oscillatormodel voorspelt dit”, legt Kirchartz uit. “Het is echter bekend dat perovskieten dit model niet gehoorzamen, wat betekent dat elektronen zich kunnen koppelen aan een aantal energetisch verre toestanden.”

Door hun metingen uit te voeren op tijdschalen variërend van nanoseconden tot 170 µs en op lichtintensiteiten van negen tot tien ordes van grootte, ontdekten de onderzoekers dat de differentiële vervaltijd van ladingsdragers in hun monsters (Cs_0.05FA_0.73MA_0.22PbI_2.56Br_0.44 perovskietfilms met drie kationen) gehoorzamen aan een machtswet. Dit is een sterk bewijs dat hun monster zeer weinig diepe defecten heeft en dat ondiepe defecten de recombinatie domineren, zeggen ze. “De aanwezigheid van ondiepe defecten was eerder alleen theoretisch voorspeld, maar er werd bijna nooit aangenomen dat dit in deze context zo belangrijk zou zijn”, zegt Kirchartz.

Perovskiet-zonnecellen bereiken nieuwe mijlpalen op het gebied van stabiliteit en efficiëntie

De onderzoekers hopen dat hun werk de manier zal veranderen waarop recombinatie in perovskietfilms en -apparaten wordt geanalyseerd. “Wij zien onze studie als een bijdrage aan het idee om uit te leggen hoe bepaalde metingen moeten worden uitgevoerd om kwantitatieve gegevens te verkrijgen die onderscheid kunnen maken tussen verschillende modellen”, zegt Kirchartz. “We willen af ​​van vergelijkend onderzoek dat zegt: 'Mijn nieuwe monster is beter dan eerdere monsters, zie experiment A, B en C.' In plaats daarvan willen we dat de data-analyse kwantitatiever is.”

Vooruitkijkend wil het FZJ-team nu zijn aanpak combineren met een andere onlangs beschreven door collega's van de Universiteit van Cambridge, VK, dat uit één enkele meting informatie zou kunnen verschaffen over het transport van ladingdragers en de recombinatie. “We willen ook onderzoeken hoe we één enkel scalair waardecijfer voor recombinatie kunnen verkrijgen uit geschatte machtswetvervalsingen (bijvoorbeeld een getal met een eenheid die goed correleert met een schaal van ‘goed tot slecht’),” vertelt Kirchartz. Natuurkunde wereld. "Dit is misschien minder eenvoudig dan voor exponentieel verval, maar het zou nog steeds mogelijk moeten zijn."

De studie is gepubliceerd in Natuur materialen.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/shallow-defects-drive-slow-recombination-high-efficiency-in-perovskite-solar-cells/