Мелкие дефекты способствуют медленной рекомбинации и высокой эффективности перовскитных солнечных элементов

Мелкие дефекты способствуют медленной рекомбинации и высокой эффективности перовскитных солнечных элементов

Отметка времени: 7 февраля 2024 г., 9:31 AM

Фотография Гэнхуа Янь в защитных лазерных очках, когда она манипулирует оборудованием в лаборатории.
Станция измерения фотолюминесценции: Член команды Гэнхуа Янь отвечал за многие измерения в исследовании. (Фото любезно предоставлено: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach)

Удивительно высокая эффективность солнечных элементов, изготовленных из материалов, называемых перовскитами, озадачивала ученых уже почти 20 лет. Теперь исследователи из Центр исследований в Юлихе (FZJ) В Германии говорят, что нашли объяснение. Изучая фотолюминесценцию материалов в широком динамическом диапазоне, они показали, что свободные носители заряда (электроны и дырки) в перовскитных солнечных элементах рекомбинируют очень медленно, увеличивая время жизни носителей и повышая эффективность ячеек. Их работа также показала, что мелкие дефекты в материале играют важную роль в рекомбинации, когда она происходит. Эти знания могут помочь ученым еще больше повысить эффективность.

Солнечные элементы генерируют электричество, когда фотоны солнечного света переводят электроны из валентной зоны с более низкой энергией в материале ячейки в зону проводимости с более высокой энергией. Как только это произойдет, и электроны, и положительно заряженные дырки, которые они оставляют после себя, смогут свободно двигаться, создавая электрический ток. Проблема в том, что фотоиндуцированные электроны и дырки в конечном итоге рекомбинируются, и когда это происходит, они больше не способствуют протеканию тока. Этот процесс рекомбинации является основной причиной неэффективности солнечных элементов.

Основным пусковым механизмом рекомбинации являются дефекты, которые естественным образом возникают в материалах солнечных элементов во время производства. Ранее исследователи считали, что главными виновниками являются дефекты, энергетически расположенные посередине между валентной зоной и зоной проводимости. «Это потому, что эти «глубокие дефекты» одинаково доступны возбужденным электронам и их аналогам — дыркам», — объясняет Томас Кирхарц, физик из FZJ, который руководил исследованием.

Перовскитные солнечные элементы бывают разными

Кирхартц и его коллеги, однако, показали, что это не относится к солнечным элементам, изготовленным из перовскитов. Эти материалы имеют ABX3 химическая структура (где A — цезий и метиламмоний (MA) или формамидиний (FA), B — свинец или олово, а X — хлор, бром или йод), и команда FZJ показала, что для них поверхностные дефекты, то есть дефекты, расположенные не в середине запрещенной зоны, а вблизи валентной зоны или зоны проводимости – играют более важную роль в рекомбинации.

Команда получила этот результат благодаря новому методу фотолюминесценции, который позволяет измерять более широкий диапазон интенсивности света с лучшим разрешением. Этот подход, ставший возможным благодаря наложению сигналов, усиленных в разной степени, означает, что они могут отличать процессы потерь, вызванные неглубокими дефектами, от процессов, вызванных глубокими дефектами, что было невозможно в предыдущих измерениях.

«Раньше предполагалось, что глубокие дефекты (даже если их плотность мала) доминируют в рекомбинации, поскольку модель гармонического осциллятора предсказывает это», — объясняет Кирхартц. «Однако известно, что перовскиты не подчиняются этой модели, а это означает, что электроны могут связываться с некоторыми энергетически удаленными состояниями».

Выполняя измерения во временных масштабах от наносекунд до 170 мкс и при интенсивности света от девяти до десяти порядков, исследователи обнаружили, что дифференциальное время затухания носителей заряда в их образцах (Cs0.05FA0.73MA0.22ПБИ2.56Br0.44 пленки перовскита с тройным катионом) подчиняется степенному закону. Это убедительное доказательство того, что в их образце очень мало глубоких дефектов и что мелкие дефекты доминируют в рекомбинации, говорят они. «Раньше наличие неглубоких дефектов прогнозировалось только теоретически, но вряд ли когда-либо предполагалось, что это будет так важно в этом контексте», — говорит Кирхартц.

Исследователи надеются, что их работа изменит способ анализа рекомбинации в перовскитных пленках и устройствах. «Мы рассматриваем наше исследование как вклад в идею объяснения того, как выполнять определенные измерения для получения количественных данных, которые могут различать разные модели», — говорит Кирхартц. «Мы хотим уйти от сравнительных исследований, которые говорят: «Мой новый образец лучше, чем предыдущие образцы, см. эксперименты A, B и C». Вместо этого мы хотим, чтобы анализ данных был более количественным».

Заглядывая в будущее, команда FZJ теперь хотела бы объединить свой подход с другим недавно описан коллегами из Кембриджского университета, Великобритания, который может предоставить информацию о транспорте и рекомбинации носителей заряда на основе одного измерения. «Мы также хотим изучить, как мы можем получить единую скалярную добротность для рекомбинации из приблизительного затухания по степенному закону (например, число с единицей измерения, которая хорошо коррелирует со шкалой «хорошего к плохому»)», — говорит Кирхарц. Мир физики. «Это может быть менее просто, чем для экспоненциального затухания, но все же возможно».

Исследование опубликовано в Природа материалы.

Отметка времени:

Больше от Мир физики