Płytkie defekty powodują powolną rekombinację i wysoką wydajność perowskitowych ogniw słonecznych – Świat Fizyki

Płytkie defekty powodują powolną rekombinację i wysoką wydajność perowskitowych ogniw słonecznych – Świat Fizyki

Znacznik czasu: 7 lutego 2024 r. 9:31

Zdjęcie Genghua Yan w ochronnych goglach laserowych podczas manipulacji sprzętem w laboratorium
Stacja pomiarowa fotoluminescencji: Członek zespołu Genghua Yan był odpowiedzialny za wiele pomiarów w ramach badania. (Dzięki uprzejmości: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach)

Niezwykle wysoka wydajność ogniw słonecznych wykonanych z materiałów zwanych perowskitami intryguje naukowców od prawie 20 lat. Teraz badacze z Forschungszentrum Jülich (FZJ) w Niemczech twierdzą, że znaleźli wyjaśnienie. Badając fotoluminescencję materiałów w szerokim zakresie dynamicznym, wykazano, że nośniki ładunku swobodnego (elektrony i dziury) w perowskitowych ogniwach słonecznych rekombinują bardzo powoli, wydłużając czas życia nośników i zwiększając wydajność ogniw. Ich prace ujawniły również, że płytkie defekty materiału odgrywają ważną rolę w rekombinacji, gdy ona zachodzi – jest to wiedza, która może pomóc naukowcom w dalszym zwiększaniu wydajności.

Ogniwa słoneczne wytwarzają energię elektryczną, gdy fotony światła słonecznego wzbudzają elektrony z pasma walencyjnego o niższej energii w materiale ogniwa do pasma przewodnictwa o wyższej energii. Kiedy to nastąpi, zarówno elektrony, jak i dodatnio naładowane dziury, które po sobie pozostawiają, mogą się swobodnie poruszać, tworząc prąd elektryczny. Problem polega na tym, że fotoindukowane elektrony i dziury w końcu łączą się ponownie, a kiedy to nastąpi, nie przyczyniają się już do przepływu prądu. Ten proces rekombinacji jest głównym czynnikiem powodującym nieefektywność ogniw słonecznych.

Głównym czynnikiem wyzwalającym rekombinację są defekty, które powstają naturalnie w materiałach ogniw słonecznych podczas produkcji. Badacze sądzili wcześniej, że głównymi winowajcami są defekty zlokalizowane energetycznie w połowie drogi między pasmami walencyjnymi i przewodnictwa. „Dzieje się tak, ponieważ te «głębokie defekty» są w podobny sposób dostępne dla wzbudzonych elektronów i ich odpowiedników, dziur” – wyjaśnia Tomasz Kirchartz, fizyk z FZJ, który kierował badaniem.

Perowskitowe ogniwa słoneczne są inne

Kirchartz i współpracownicy wykazali jednak, że nie ma to miejsca w przypadku ogniw słonecznych wykonanych z perowskitów. Materiały te mają ABX3 budowę chemiczną (gdzie A to cez i metyloamon (MA) lub formamidyna (FA), B to ołów lub cyna, a X to chlor, brom lub jod), a zespół FZJ wykazał, że dla nich defekty płytkie – czyli defekty zlokalizowane nie w środku pasma wzbronionego, ale blisko pasm walencyjnych lub przewodnictwa – odgrywają ważniejszą rolę w rekombinacji.

Zespół uzyskał ten wynik dzięki nowej technice fotoluminescencji, która umożliwia pomiar szerszego zakresu natężeń światła z lepszą rozdzielczością. Takie podejście, możliwe dzięki nałożeniu na siebie sygnałów o różnym stopniu wzmocnienia, oznacza, że ​​można odróżnić procesy strat spowodowane płytkimi defektami od tych spowodowanych głębokimi defektami – co nie było możliwe w poprzednich pomiarach.

„W przeszłości zakładano, że w rekombinacji dominują głębokie defekty (nawet jeśli ich gęstość jest mała), ponieważ model oscylatora harmonicznego to przewiduje”- wyjaśnia Kirchartz. „Wiadomo jednak, że perowskity nie przestrzegają tego modelu, co oznacza, że ​​elektrony mogą łączyć się z pewnymi odległymi energetycznie stanami”.

Dokonując pomiarów w skali czasu od nanosekund do 170 µs i przy natężeniu światła od 10 do XNUMX rzędów wielkości, naukowcy odkryli, że różnicowy czas zaniku nośników ładunku w ich próbkach (Cs0.05FA0.73MA0.22PBI.2.56Br0.44 potrójne kationowe warstwy perowskitowe) podlegają prawu potęgowemu. To mocny dowód na to, że ich próbka zawiera bardzo niewiele głębokich defektów i że w procesie rekombinacji dominują defekty płytkie – twierdzą. „Wcześniej przewidywano obecność płytkich defektów jedynie teoretycznie, ale rzadko zakładano, że będzie to tak istotne w tym kontekście” – mówi Kirchartz.

Naukowcy mają nadzieję, że ich praca zmieni sposób analizowania rekombinacji w warstwach i urządzeniach perowskitowych. „Postrzegamy nasze badanie jako wkład w koncepcję wyjaśnienia, w jaki sposób przeprowadzać określone pomiary w celu uzyskania danych ilościowych, które umożliwiają rozróżnienie różnych modeli” – mówi Kirchartz. „Chcemy odejść od badań porównawczych, które mówią: «Moja nowa próbka jest lepsza od poprzednich, patrz eksperyment A, B i C.» Zamiast tego chcemy, aby analiza danych była bardziej ilościowa”.

Patrząc w przyszłość, zespół FZJ chciałby teraz połączyć swoje podejście z innym niedawno opisali koledzy z Uniwersytetu w Cambridgew Wielkiej Brytanii, które mogą dostarczyć informacji na temat transportu nośników ładunku i rekombinacji na podstawie pojedynczego pomiaru. „Chcemy także zbadać, w jaki sposób możemy uzyskać pojedynczą, skalarną wartość zasługi dla rekombinacji na podstawie przybliżonych rozpadów prawa potęgowego (na przykład liczby z jednostką dobrze korelującą ze skalą „dobry do zły”)” – mówi Kirchartz Świat Fizyki. „Może to być mniej proste niż w przypadku rozpadów wykładniczych, ale nadal powinno być możliwe”.

Badanie zostało opublikowane w 2007 roku Materiały przyrodnicze.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki