Grunda defekter driver långsam rekombination, hög effektivitet i perovskitsolceller – Physics World

Grunda defekter driver långsam rekombination, hög effektivitet i perovskitsolceller – Physics World

Tidsstämpel: 7 februari 2024 9:31

Foto av Genghua Yan med skyddande laserglasögon när hon manipulerar utrustning i laboratoriet
Fotoluminescensmätstation: Teammedlemmen Genghua Yan var ansvarig för många av mätningarna i studien. (Med tillstånd: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach)

Den anmärkningsvärt höga effektiviteten hos solceller gjorda av material som kallas perovskiter har förbryllat forskare i nästan 20 år. Nu har forskare vid Forschungszentrum Jülich (FZJ) i Tyskland säger att de har hittat en förklaring. Genom att studera materialens fotoluminescens över ett brett dynamiskt område visade de att fria laddningsbärare (elektroner och hål) i perovskitsolceller rekombinerar mycket långsamt, vilket ökar bärarnas livslängd och ökar cellernas effektivitet. Deras arbete avslöjade också att grunda defekter i materialet spelar en viktig roll vid rekombination när det inträffar – kunskap som kan hjälpa forskare att öka effektiviteten ytterligare.

Solceller genererar elektricitet när fotoner från solljus exciterar elektroner från ett valensband med lägre energi i cellmaterialet till ett ledningsband med högre energi. När detta händer kan både elektronerna och de positivt laddade hålen de lämnar efter sig röra sig fritt, vilket skapar en elektrisk ström. Problemet är att de fotoinducerade elektronerna och hålen så småningom rekombinerar, och när detta händer bidrar de inte längre till strömflödet. Denna rekombinationsprocess är den främsta drivkraften för ineffektivitet i solceller.

En stor utlösande faktor för rekombination är de defekter som uppstår naturligt i solcellsmaterial under tillverkningen. Forskare hade tidigare trott att de främsta bovarna var defekter som är energiskt placerade mitt emellan valens- och ledningsbanden. "Detta beror på att dessa "djupa defekter" på samma sätt är tillgängliga för exciterade elektroner och deras motsvarigheter, hålen," förklarar Thomas Kirchartz, en fysiker vid FZJ som ledde studien.

Perovskite solceller är olika

Kirchartz och kollegor visade dock att så inte är fallet i solceller gjorda av perovskiter. Dessa material har en ABX3 kemisk struktur (där A är cesium och metylammonium (MA) eller formamidinium (FA), B är bly eller tenn och X är klor, brom eller jod), och FZJ-teamet visade att för dem, grunda defekter – det vill säga defekter lokaliserade inte i mitten av bandgapet, utan nära valens- eller ledningsbanden – spelar en viktigare roll vid rekombination.

Teamet fick detta resultat tack vare en ny fotoluminescensteknik som kan mäta ett bredare spektrum av ljusintensiteter med en bättre upplösning. Detta tillvägagångssätt, som gjorts möjligt genom att överlagra signaler som förstärks i olika utsträckning, innebär att de kan särskilja förlustprocesser orsakade av grunda defekter från dem som orsakas av djupa defekter – något som inte var möjligt i tidigare mätningar.

"Tidigare antog man att djupa defekter (även om deras densitet är låg) dominerar rekombination eftersom den harmoniska oscillatormodellen förutspår detta", förklarar Kirchartz. "Men det är känt att perovskiter inte lyder denna modell, vilket innebär att elektroner kan kopplas till vissa energiskt avlägsna tillstånd."

Genom att utföra sina mätningar över tidsskalor som sträcker sig från nanosekunder till 170 µs och över ljusintensiteter som spänner över nio till 10 storleksordningar, fann forskarna att den differentiella avklingningstiden för laddningsbärare i deras prover (Cs)0.05FA0.73MA0.22PBI2.56Br0.44 trippelkatjon perovskitefilmer) lyder en maktlag. Detta är ett starkt bevis på att deras prov har väldigt få djupa defekter och att grunda defekter dominerar rekombination, säger de. "Förekomsten av grunda defekter hade bara förutspåtts teoretiskt tidigare, men det antogs nästan aldrig att det skulle vara så viktigt i det här sammanhanget", säger Kirchartz.

Forskarna hoppas att deras arbete kommer att förändra sättet att analysera rekombination i perovskitfilmer och enheter. "Vi ser vår studie som ett bidrag till idén att förklara hur man utför vissa mätningar för att få kvantitativ data som kan skilja mellan olika modeller", säger Kirchartz. "Vi vill gå bort från jämförande forskning som säger: 'Mitt nya prov är bättre än tidigare prover, se experiment A, B och C.' Istället vill vi att dataanalysen ska vara mer kvantitativ.”

När vi ser framåt vill FZJ-teamet nu kombinera sitt tillvägagångssätt med ett annat beskrev nyligen av kollegor vid University of Cambridge, Storbritannien som kan ge information om avgiftsbärares transport och rekombination från en enda mätning. "Vi vill också undersöka hur vi kan erhålla en enda, skalär värdesiffra för rekombination från ungefärliga kraftlagsavklingningar (till exempel ett tal med en enhet som korrelerar bra med en skala från "bra till dåligt")", säger Kirchartz Fysikvärlden. "Detta kan vara mindre enkelt än för exponentiella sönderfall men borde fortfarande vara möjligt."

Studien publiceras i Naturmaterial.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden