Grunne defekter driver langsom rekombinasjon, høy effektivitet i perovskittsolceller – Physics World

Grunne defekter driver langsom rekombinasjon, høy effektivitet i perovskittsolceller – Physics World

Tidsstempel: 7. februar 2024 9:31

Bilde av Genghua Yan med beskyttende laserbriller mens hun manipulerer utstyr i laboratoriet
Fotoluminescens målestasjon: Teammedlem Genghua Yan var ansvarlig for mange av målingene i studien. (Med tillatelse: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach)

Den bemerkelsesverdig høye effektiviteten til solceller laget av materialer kalt perovskitter har forundret forskere i nesten 20 år. Nå har forskere ved Forschungszentrum Jülich (FZJ) i Tyskland sier de har funnet en forklaring. Ved å studere materialenes fotoluminescens over et bredt dynamisk område, viste de at gratis ladningsbærere (elektroner og hull) i perovskittsolceller rekombinerer veldig sakte, noe som øker bærernes levetid og øker cellenes effektivitet. Arbeidet deres avslørte også at grunne defekter i materialet spiller en viktig rolle i rekombinasjon når det oppstår – kunnskap som kan hjelpe forskere med å øke effektiviteten ytterligere.

Solceller genererer elektrisitet når fotoner fra sollys eksiterer elektroner fra et valensbånd med lavere energi i cellematerialet til et ledningsbånd med høyere energi. Når dette skjer, kan både elektronene og de positivt ladede hullene de etterlater seg bevege seg fritt, og skape en elektrisk strøm. Problemet er at de fotoinduserte elektronene og hullene til slutt rekombinerer, og når dette skjer, bidrar de ikke lenger til strømmen. Denne rekombinasjonsprosessen er hoveddriveren for ineffektivitet i solceller.

En viktig trigger for rekombinasjon er defektene som oppstår naturlig i solcellematerialer under produksjon. Forskere hadde tidligere trodd at hovedårsakene var defekter som er energisk plassert midt mellom valens- og ledningsbåndene. "Dette er fordi disse 'dype defektene' er like tilgjengelige for eksiterte elektroner og deres motstykker, hullene," forklarer Thomas Kirchartz, en fysiker ved FZJ som ledet studien.

Perovskittsolceller er forskjellige

Kirchartz og medarbeidere viste imidlertid at dette ikke er tilfelle i solceller laget av perovskitter. Disse materialene har en ABX3 kjemisk struktur (der A er cesium og metylammonium (MA) eller formamidinium (FA), B er bly eller tinn og X er klor, brom eller jod), og FZJ-teamet viste at for dem, grunne defekter - det vil si defekter som er lokalisert ikke i midten av båndgapet, men nær valens- eller ledningsbåndene – spiller en viktigere rolle i rekombinasjon.

Teamet oppnådde dette resultatet takket være en ny fotoluminescensteknikk som kan måle et bredere spekter av lysintensiteter med en bedre oppløsning. Denne tilnærmingen, gjort mulig ved å overlappe signaler som er forsterket i ulik grad, betyr at de kan skille tapsprosesser forårsaket av grunne defekter fra de som er forårsaket av dype defekter - noe som ikke var mulig i tidligere målinger.

"Tidligere ble det antatt at dype defekter (selv om deres tetthet er lav) dominerer rekombinasjon fordi den harmoniske oscillatormodellen spår dette", forklarer Kirchartz. "Perovskitter er imidlertid kjent for å være ulydige mot denne modellen, noe som betyr at elektroner kan kobles til noen energisk fjerne tilstander."

Ved å utføre sine målinger over tidsskalaer som strekker seg fra nanosekunder til 170 µs og over lysintensiteter som spenner over ni til 10 størrelsesordener, fant forskerne at den differensielle nedbrytningstiden til ladningsbærere i prøvene deres (Cs)0.05FA0.73MA0.22PBI2.56Br0.44 trippelkation perovskittfilmer) adlyder en maktlov. Dette er sterke bevis på at prøven deres har svært få dype defekter og at grunne defekter dominerer rekombinasjon, sier de. "Tilstedeværelsen av grunne defekter hadde bare vært teoretisk spådd før, men det ble nesten aldri antatt at det ville være så viktig i denne sammenhengen," sier Kirchartz.

Forskerne håper at arbeidet deres vil endre måten rekombinasjon i perovskittfilmer og -enheter analyseres på. "Vi ser på studien vår som et bidrag til ideen om å forklare hvordan man utfører visse målinger for å få kvantitative data som kan skille mellom ulike modeller," sier Kirchartz. "Vi ønsker å gå bort fra komparativ forskning som sier: 'Min nye prøve er bedre enn tidligere prøver, se eksperiment A, B og C.' I stedet ønsker vi at dataanalysen skal være mer kvantitativ."

Ser fremover, vil FZJ-teamet nå kombinere sin tilnærming med en annen nylig beskrevet av kolleger ved University of Cambridge, Storbritannia som kan gi informasjon om transport av ladebærere og rekombinasjon fra en enkelt måling. "Vi ønsker også å utforske hvordan vi kan oppnå en enkelt, skalær verdi for rekombinasjon fra tilnærmet kraftlovforfall (for eksempel et tall med en enhet som korrelerer godt med en skala fra "god til dårlig")," forteller Kirchartz Fysikkens verden. "Dette kan være mindre enkelt enn for eksponentielle forfall, men bør fortsatt være mulig."

Studien er publisert i Nature Materials.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden