ข้อบกพร่องตื้นทำให้เกิดการรวมตัวกันใหม่ช้า ประสิทธิภาพสูงในเซลล์แสงอาทิตย์เพอร์รอฟสไกต์ - โลกฟิสิกส์

ข้อบกพร่องตื้นทำให้เกิดการรวมตัวกันใหม่ช้า ประสิทธิภาพสูงในเซลล์แสงอาทิตย์เพอร์รอฟสไกต์ - โลกฟิสิกส์

Time Stamp: 7 กุมภาพันธ์ 2024 9:31 น.

ภาพถ่ายของ Genghua Yan สวมแว่นตาป้องกันเลเซอร์ขณะที่เธอควบคุมอุปกรณ์ในห้องปฏิบัติการ
สถานีตรวจวัดโฟโตลูมิเนสเซนซ์: สมาชิกในทีม Genghua Yan รับผิดชอบการวัดหลายอย่างในการศึกษานี้ (เอื้อเฟื้อโดย: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach)

ประสิทธิภาพสูงอย่างน่าทึ่งของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากวัสดุที่เรียกว่าเพอร์รอฟสกี้ ทำให้นักวิทยาศาสตร์งงงวยมาเกือบ 20 ปีแล้ว ขณะนี้นักวิจัยจาก ฟอร์ชุงเซนทรัม ยือลิช (FZJ) ในเยอรมนีกล่าวว่าพวกเขาได้พบคำอธิบายแล้ว จากการศึกษาโฟโตลูมิเนสเซนซ์ของวัสดุในช่วงไดนามิกที่กว้าง พวกเขาแสดงให้เห็นว่าตัวพาประจุฟรี (อิเล็กตรอนและรู) ในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์รวมตัวกันช้ามาก เพิ่มอายุการใช้งานของตัวพาและเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์ งานของพวกเขายังเผยให้เห็นว่าข้อบกพร่องตื้นๆ ในวัสดุมีบทบาทสำคัญในการรวมตัวกันใหม่เมื่อมันเกิดขึ้น ความรู้ที่สามารถช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เพิ่มประสิทธิภาพได้อีก

เซลล์แสงอาทิตย์จะผลิตกระแสไฟฟ้าเมื่อโฟตอนจากแสงแดดกระตุ้นอิเล็กตรอนจากแถบเวเลนซ์พลังงานต่ำกว่าในวัสดุเซลล์ไปจนถึงแถบการนำพลังงานที่สูงกว่า เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น ทั้งอิเล็กตรอนและรูที่มีประจุบวกที่พวกมันทิ้งไว้สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า ปัญหาคือว่าในที่สุดอิเล็กตรอนและรูที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงจะรวมตัวกันอีกครั้ง และเมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น พวกมันจะไม่ส่งผลต่อการไหลของกระแสอีกต่อไป กระบวนการรวมตัวกันใหม่นี้เป็นตัวขับเคลื่อนหลักของความไร้ประสิทธิภาพในเซลล์แสงอาทิตย์

สาเหตุหลักสำหรับการรวมตัวกันอีกครั้งคือข้อบกพร่องที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในวัสดุเซลล์แสงอาทิตย์ในระหว่างการผลิต ก่อนหน้านี้นักวิจัยเคยคิดว่าต้นเหตุหลักคือข้อบกพร่องซึ่งอยู่ตรงกลางระหว่างแถบวาเลนซ์และแถบการนำไฟฟ้า “นี่เป็นเพราะว่า 'ข้อบกพร่องเชิงลึก' เหล่านี้สามารถเข้าถึงได้โดยอิเล็กตรอนที่ตื่นเต้นและหลุมที่เหมือนกัน” อธิบาย โธมัส เคียร์ชาร์ทซ์นักฟิสิกส์จาก FZJ ซึ่งเป็นผู้นำการศึกษานี้

เซลล์แสงอาทิตย์ Perovskite นั้นแตกต่างกัน

อย่างไรก็ตาม Kirchartz และเพื่อนร่วมงานได้แสดงให้เห็นว่านี่ไม่ใช่กรณีของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากเปอร์รอฟสกี้ วัสดุเหล่านี้มี ABX3 โครงสร้างทางเคมี (โดยที่ A คือซีเซียมและเมทิลแอมโมเนียม (MA) หรือฟอร์มามิดิเนียม (FA), B คือตะกั่วหรือดีบุก และ X คือคลอรีน โบรมีน หรือไอโอดีน) และทีมงาน FZJ แสดงให้เห็นว่าสำหรับพวกเขา มีข้อบกพร่องตื้นๆ นั่นคือข้อบกพร่องที่อยู่ ไม่ได้อยู่ตรงกลางของช่องว่างของวงดนตรี แต่ใกล้กับวงดนตรีวาเลนซ์หรือการนำไฟฟ้า - มีบทบาทสำคัญในการรวมตัวกันใหม่

ทีมงานได้รับผลลัพธ์นี้จากเทคนิคโฟโตลูมิเนสเซนซ์แบบใหม่ที่สามารถวัดความเข้มของแสงได้หลากหลายขึ้นและมีความละเอียดดีขึ้น วิธีการนี้ทำได้โดยการวางซ้อนสัญญาณที่ขยายในขอบเขตที่แตกต่างกัน หมายความว่าสามารถแยกแยะกระบวนการสูญเสียที่เกิดจากข้อบกพร่องแบบตื้นออกจากกระบวนการที่เกิดจากข้อบกพร่องแบบลึก ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่สามารถทำได้ในการวัดครั้งก่อน

“ในอดีต มีการสันนิษฐานว่าข้อบกพร่องระดับลึก (แม้ว่าความหนาแน่นจะต่ำก็ตาม) มีอิทธิพลเหนือการรวมตัวกันอีกครั้ง เนื่องจากแบบจำลองฮาร์มอนิกออสซิลเลเตอร์ ทำนายสิ่งนี้” เคียร์ชาร์ทซ์อธิบาย “อย่างไรก็ตาม เป็นที่รู้กันว่าเพอร์รอฟสกี้ไม่เชื่อฟังแบบจำลองนี้ ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนสามารถจับคู่กับสถานะที่อยู่ห่างไกลออกไปอย่างมีพลังได้”

ด้วยการวัดในช่วงเวลาตั้งแต่นาโนวินาทีถึง 170 µs และความเข้มของแสงซึ่งครอบคลุมตั้งแต่ 10 ถึง XNUMX ลำดับความสำคัญ นักวิจัยพบว่าเวลาการสลายตัวที่แตกต่างกันของตัวพาประจุในตัวอย่างของพวกเขา (Cs0.05FA0.73MA0.22พีบีไอ2.56Br0.44 ฟิล์ม perovskite ไอออนบวกสาม) ปฏิบัติตามกฎหมายพลังงาน นี่เป็นหลักฐานที่ชัดเจนว่าตัวอย่างของพวกเขามีข้อบกพร่องที่ลึกน้อยมาก และข้อบกพร่องตื้นๆ มีอิทธิพลต่อการรวมตัวกันอีกครั้ง “การมีอยู่ของข้อบกพร่องตื้นๆ นั้นเป็นเพียงการคาดการณ์ตามหลักทฤษฎีมาก่อนเท่านั้น แต่แทบไม่เคยคิดเลยว่ามันจะมีความสำคัญมากในบริบทนี้” Kirchartz กล่าว

นักวิจัยหวังว่างานของพวกเขาจะเปลี่ยนวิธีการวิเคราะห์การรวมตัวกันใหม่ของฟิล์มและอุปกรณ์ perovskite “เรามองว่าการศึกษาของเรามีส่วนสนับสนุนแนวคิดในการอธิบายวิธีการวัดบางอย่างเพื่อให้ได้ข้อมูลเชิงปริมาณที่สามารถแยกแยะระหว่างแบบจำลองต่างๆ ได้” Kirchartz กล่าว “เราต้องการเลิกการวิจัยเชิงเปรียบเทียบที่ระบุว่า 'ตัวอย่างใหม่ของฉันดีกว่าตัวอย่างก่อนหน้านี้ ดูการทดลอง A, B และ C' แต่เราต้องการให้การวิเคราะห์ข้อมูลมีปริมาณมากขึ้น”

เมื่อมองไปข้างหน้า ตอนนี้ทีม FZJ ต้องการรวมแนวทางของตนเข้ากับอีกแนวทางหนึ่ง อธิบายเมื่อเร็ว ๆ นี้โดยเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์, สหราชอาณาจักรที่อาจให้ข้อมูลเกี่ยวกับการขนส่งของผู้ให้บริการขนส่งและการรวมตัวกันใหม่จากการวัดครั้งเดียว “เรายังต้องการสำรวจวิธีที่เราจะได้รับค่าสเกลาร์ค่าเดียวสำหรับการรวมตัวกันอีกครั้งจากการสลายตัวของกฎพลังงานโดยประมาณ (เช่น ตัวเลขที่มีหน่วยที่สัมพันธ์กันดีกับระดับ 'ดีไปเสีย')” Kirchartz กล่าว โลกฟิสิกส์. “นี่อาจจะตรงไปตรงมาน้อยกว่าการสลายแบบเอ็กซ์โปเนนเชียล แต่ก็ยังควรจะเป็นไปได้”

การศึกษาถูกตีพิมพ์ลงที่ วัสดุธรรมชาติ.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์