Sığ kusurlar perovskit güneş pillerinde yavaş rekombinasyonu ve yüksek verimliliği tetikliyor - Fizik Dünyası

Sığ kusurlar perovskit güneş pillerinde yavaş rekombinasyonu ve yüksek verimliliği tetikliyor - Fizik Dünyası

Zaman Damgası: 7 Şubat 2024 9:31

Genghua Yan'ın laboratuvardaki ekipmanı değiştirirken koruyucu lazer gözlük taktığı fotoğraf
Fotolüminesans ölçüm istasyonu: Ekip üyesi Genghua Yan, çalışmadaki ölçümlerin çoğundan sorumluydu. (Nezaket: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach)

Perovskit adı verilen malzemelerden yapılan güneş pillerinin olağanüstü yüksek verimliliği, neredeyse 20 yıldır bilim adamlarını şaşırtıyor. Şimdi, araştırmacılar Forschungszentrum Jülich (FZJ) Almanya'da bir açıklama bulduklarını söylüyorlar. Malzemelerin fotolüminesansını geniş bir dinamik aralıkta inceleyerek, perovskit güneş pillerindeki serbest yük taşıyıcılarının (elektronlar ve delikler) çok yavaş bir şekilde yeniden birleşerek taşıyıcıların ömrünü uzattığını ve hücrelerin verimliliğini artırdığını gösterdiler. Çalışmaları ayrıca malzemedeki yüzeysel kusurların rekombinasyon meydana geldiğinde önemli bir rol oynadığını da ortaya çıkardı; bu, bilim adamlarının verimliliği daha da artırmasına yardımcı olabilecek bir bilgi.

Güneş pilleri, güneş ışığından gelen fotonlar, elektronları hücre malzemesindeki daha düşük enerjili bir değerlik bandından daha yüksek enerjili bir iletim bandına uyardığında elektrik üretir. Bu gerçekleştiğinde, hem elektronlar hem de geride bıraktıkları pozitif yüklü delikler serbestçe hareket ederek bir elektrik akımı oluşturabilir. Sorun, ışıkla indüklenen elektronların ve deliklerin sonunda yeniden birleşmesi ve bu gerçekleştiğinde artık akım akışına katkıda bulunmamasıdır. Bu rekombinasyon süreci güneş pillerindeki verimsizliğin ana nedenidir.

Rekombinasyonun ana tetikleyicisi, üretim sırasında güneş pili malzemelerinde doğal olarak ortaya çıkan kusurlardır. Araştırmacılar daha önce ana suçluların, enerjisel olarak valans ve iletim bantlarının ortasında bulunan kusurlar olduğunu düşünmüştü. "Bunun nedeni, bu 'derin kusurların' uyarılmış elektronlar ve onların karşılıkları olan delikler tarafından benzer şekilde erişilebilir olmasıdır" diye açıklıyor Thomas KirchartzFZJ'de çalışmaya liderlik eden bir fizikçi.

Perovskit güneş pilleri farklıdır

Ancak Kirchartz ve meslektaşları perovskitlerden yapılan güneş pillerinde durumun böyle olmadığını gösterdi. Bu malzemelerin bir ABX'i var3 kimyasal yapı (A'nın sezyum ve metilamonyum (MA) veya formamidinyum (FA), B'nin kurşun veya kalay ve X'in klor, brom veya iyot olduğu) ve FZJ ekibi onlar için sığ kusurların, yani yerleşmiş kusurların olduğunu gösterdi. bant aralığının ortasında değil, değerlik veya iletim bantlarına yakın olanlar rekombinasyonda daha önemli bir rol oynar.

Ekip bu sonucu, daha geniş bir aralıktaki ışık yoğunluğunu daha iyi bir çözünürlükle ölçebilen yeni bir fotolüminesans tekniği sayesinde elde etti. Farklı düzeylerde güçlendirilmiş sinyallerin üst üste bindirilmesiyle mümkün kılınan bu yaklaşım, sığ kusurların neden olduğu kayıp süreçlerini derin kusurların neden olduğu kayıp süreçlerinden ayırt edebilecekleri anlamına geliyor; bu önceki ölçümlerde mümkün olmayan bir şeydi.

"Geçmişte, harmonik osilatör modeli nedeniyle derin kusurların (yoğunlukları düşük olsa bile) rekombinasyona hakim olduğu varsayılırdı. bunu tahmin ediyor" diye açıklıyor Kirchartz. "Ancak perovskitlerin bu modele uymadığı biliniyor, bu da elektronların enerji açısından uzak bazı durumlara bağlanabileceği anlamına geliyor."

Araştırmacılar, ölçümlerini nanosaniyeden 170 µs'ye kadar değişen zaman ölçeklerinde ve dokuz ila 10 büyüklük sırasını kapsayan ışık yoğunluklarında gerçekleştirerek, numunelerindeki yük taşıyıcılarının diferansiyel bozunma süresinin (Cs)0.05FA0.73MA0.22PBI2.56Br0.44 üçlü katyon perovskit filmler) bir güç yasasına uyar. Bunun, numunelerinde çok az sayıda derin kusur bulunduğunun ve yüzeysel kusurların rekombinasyona hakim olduğunun güçlü bir kanıtı olduğunu söylüyorlar. Kirchartz, "Sığ kusurların varlığı daha önce yalnızca teorik olarak tahmin edilmişti, ancak bunun bu bağlamda bu kadar önemli olacağı neredeyse hiç varsayılmamıştı" diyor.

Araştırmacılar çalışmalarının perovskit filmlerdeki ve cihazlardaki rekombinasyonun analiz edilme şeklini değiştireceğini umuyorlar. Kirchartz, "Çalışmamızı, farklı modeller arasında ayrım yapabilecek niceliksel veriler elde etmek için belirli ölçümlerin nasıl gerçekleştirileceğini açıklama fikrine bir katkı olarak görüyoruz" diyor. "'Yeni örneğim önceki örneklerden daha iyi, bkz. deney A, B ve C' diyen karşılaştırmalı araştırmalardan uzaklaşmak istiyoruz.' Bunun yerine veri analizinin daha niceliksel olmasını istiyoruz."

İleriye baktığımızda, FZJ ekibi artık yaklaşımını başka bir yaklaşımla birleştirmek istiyor. yakın zamanda Cambridge Üniversitesi'ndeki meslektaşları tarafından tanımlandı, Birleşik Krallık, tek bir ölçümden yük taşıyıcı taşınması ve rekombinasyonu hakkında bilgi sağlayabilir. Kirchartz, "Ayrıca, yaklaşık güç yasası bozunumlarından (örneğin, 'iyiden kötüye' ölçeğiyle iyi korelasyon gösteren bir birimli bir sayı) rekombinasyon için tek, skaler bir değer rakamını nasıl elde edebileceğimizi araştırmak istiyoruz" diyor. Fizik dünyası. "Bu, üstel bozunmalardan daha az basit olabilir ama yine de mümkün olmalı."

Çalışma, Doğa Malzemeleri.

Zaman Damgası:

Den fazla Fizik dünyası