Defectele superficiale determină recombinarea lentă, eficiența ridicată a celulelor solare perovskite – Physics World

Defectele superficiale determină recombinarea lentă, eficiența ridicată a celulelor solare perovskite – Physics World

Marca temporală: 7 februarie 2024 9:31

Fotografie cu Genghua Yan purtând ochelari de protecție cu laser în timp ce manipulează echipamentele din laborator
Stație de măsurare a fotoluminiscenței: Genghua Yan, membru al echipei, a fost responsabil pentru multe dintre măsurătorile din studiu. (Cu amabilitatea: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach)

Eficiența remarcabil de ridicată a celulelor solare realizate din materiale numite perovskiți ia nedumerit pe oamenii de știință de aproape 20 de ani. Acum, cercetătorii de la Forschungszentrum Jülich (FZJ) în Germania spun că au găsit o explicație. Studiind fotoluminiscența materialelor într-un interval dinamic larg, ei au arătat că purtătorii de sarcină liberi (electroni și găuri) din celulele solare perovskite se recombină foarte lent, crescând durata de viață a purtătorilor și sporind eficiența celulelor. Lucrările lor au arătat, de asemenea, că defectele superficiale ale materialului joacă un rol important în recombinare atunci când aceasta are loc - cunoștințe care ar putea ajuta oamenii de știință să crească și mai mult eficiența.

Celulele solare generează electricitate atunci când fotonii din lumina soarelui excită electronii dintr-o bandă de valență cu energie mai mică din materialul celulei către o bandă de conducție de energie mai mare. Odată ce se întâmplă acest lucru, atât electronii, cât și găurile încărcate pozitiv pe care le lasă în urmă se pot mișca liber, creând un curent electric. Problema este că electronii și găurile fotoinduse se recombină în cele din urmă și, atunci când se întâmplă acest lucru, nu mai contribuie la fluxul de curent. Acest proces de recombinare este principalul motor al ineficienței celulelor solare.

Un declanșator major pentru recombinare este defectele care apar în mod natural în materialele celulelor solare în timpul producției. Cercetătorii au crezut anterior că principalii vinovați sunt defectele care sunt situate energetic la jumătatea distanței dintre benzile de valență și de conducere. „Acest lucru se datorează faptului că aceste „defecte profunde” sunt accesibile în mod similar electronilor excitați și omologilor lor, găurile”, explică. Thomas Kirchartz, un fizician la FZJ care a condus studiul.

Celulele solare perovskite sunt diferite

Kirchartz și colegii, totuși, au arătat că acest lucru nu este cazul celulelor solare fabricate din perovskiți. Aceste materiale au un ABX3 structura chimică (unde A este cesiu și metilamoniu (MA) sau formamidiniu (FA), B este plumb sau staniu și X este clor, brom sau iod), iar echipa FZJ a arătat că pentru ei, defecte superficiale – adică defecte localizate nu în mijlocul benzii interzise, ​​ci aproape de benzile de valență sau de conducere – joacă un rol mai important în recombinare.

Echipa a obținut acest rezultat datorită unei noi tehnici de fotoluminiscență care poate măsura o gamă mai largă de intensități luminoase cu o rezoluție mai bună. Această abordare, făcută posibilă prin suprapunerea semnalelor amplificate în diferite măsuri, înseamnă că pot distinge procesele de pierdere cauzate de defecte superficiale de cele cauzate de defecte profunde – lucru care nu a fost posibil în măsurătorile anterioare.

„În trecut, se presupunea că defectele profunde (chiar dacă densitatea lor este scăzută) domină recombinarea deoarece modelul oscilatorului armonic. prezice acest lucru”, explică Kirchartz. „Cu toate acestea, se știe că perovskiții nu se supun acestui model, ceea ce înseamnă că electronii se pot cupla la niște stări îndepărtate energetic.”

Efectuând măsurătorile lor pe scări de timp care variază de la nanosecunde la 170 µs și pe intensități luminoase care se întind între nouă și 10 ordine de mărime, cercetătorii au descoperit că timpul de dezintegrare diferențial al purtătorilor de sarcină din probele lor (Cs).0.05FA0.73MA0.22PbI2.56Br0.44 filme de perovskit cu triplu cation) respectă o lege a puterii. Aceasta este o dovadă puternică că eșantionul lor are foarte puține defecte profunde și că defectele superficiale domină recombinarea, spun ei. „Prezența defectelor superficiale fusese prezisă doar teoretic înainte, dar nu s-a presupus niciodată că va fi atât de importantă în acest context”, spune Kirchartz.

Cercetătorii speră că munca lor va schimba modul în care este analizată recombinarea în filme și dispozitive perovskite. „Vedem studiul nostru ca o contribuție la ideea de a explica cum să efectuăm anumite măsurători pentru a obține date cantitative care pot discrimina între diferite modele”, spune Kirchartz. „Vrem să renunțăm la cercetările comparative care spun: „Noul meu eșantion este mai bun decât mostrele anterioare, vezi experimentul A, B și C”. În schimb, dorim ca analiza datelor să fie mai cantitativă.”

Privind cu nerăbdare, echipa FZJ ar dori acum să-și combine abordarea cu alta descris recent de colegii de la Universitatea din Cambridge, Marea Britanie, care ar putea oferi informații despre transportul și recombinarea purtătorului de taxe dintr-o singură măsurare. „Vrem, de asemenea, să explorăm modul în care putem obține o singură cifră scalară a meritului pentru recombinare din dezintegrarea aproximativă a legii puterii (de exemplu, un număr cu o unitate care se corelează bine cu o scară de „bun la rău”)”, spune Kirchartz. Lumea fizicii. „Acest lucru ar putea fi mai puțin simplu decât pentru declinările exponențiale, dar ar trebui să fie totuși posibil.”

Studiul este publicat în Materiale Natura.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii