Неглибокі дефекти викликають повільну рекомбінацію та високу ефективність перовскітних сонячних елементів – Physics World

Надзвичайно висока ефективність сонячних елементів, виготовлених з матеріалів, які називаються перовскітами, спантеличила вчених протягом майже 20 років. Тепер дослідники в Forschungszentrum Jülich (FZJ) у Німеччині кажуть, що знайшли пояснення. Вивчаючи фотолюмінесценцію матеріалів у широкому динамічному діапазоні, вони показали, що вільні носії заряду (електрони та дірки) у перовскітних сонячних елементах рекомбінують дуже повільно, збільшуючи час життя носіїв і підвищуючи ефективність елементів. Їхня робота також показала, що неглибокі дефекти в матеріалі відіграють важливу роль у рекомбінації, коли вона відбувається – знання, яке може допомогти вченим ще більше підвищити ефективність.

Сонячні батареї виробляють електрику, коли фотони сонячного світла збуджують електрони з нижчої валентної смуги в матеріалі клітини в зону провідності з вищою енергією. Як тільки це станеться, і електрони, і позитивно заряджені дірки, які вони залишають, можуть вільно рухатися, створюючи електричний струм. Проблема полягає в тому, що фотоіндуковані електрони та дірки зрештою рекомбінують, і коли це відбувається, вони більше не сприяють потоку струму. Цей процес рекомбінації є основною причиною неефективності сонячних елементів.

Основною причиною рекомбінації є дефекти, які природним чином виникають у матеріалах сонячних елементів під час виробництва. Дослідники раніше вважали, що головними винуватцями є дефекти, які енергетично розташовані посередині між валентною зоною та зоною провідності. «Це тому, що ці «глибокі дефекти» так само доступні для збуджених електронів і їхніх аналогів, дірок», — пояснює Томас Кірхарц, фізик з FZJ, який керував дослідженням.

Перовскітові сонячні елементи бувають різними

Однак Кірхарц і його колеги показали, що це не так у сонячних елементах, виготовлених із перовскітів. Ці матеріали мають ABX₃ хімічну структуру (де A — цезій і метиламоній (MA) або формамідиній (FA), B — свинець або олово, а X — хлор, бром або йод), і команда FZJ показала, що для них неглибокі дефекти — тобто дефекти, розташовані не в середині забороненої зони, а поблизу валентної зони або зони провідності – відіграють більш важливу роль у рекомбінації.

Команда отримала цей результат завдяки новій техніці фотолюмінесценції, яка може вимірювати ширший діапазон інтенсивності світла з кращою роздільною здатністю. Цей підхід, що став можливим завдяки накладенню сигналів, посилених різною мірою, означає, що вони можуть відрізнити процеси втрат, спричинені дрібними дефектами, від процесів, спричинених глибокими дефектами – те, що було неможливо в попередніх вимірюваннях.

«У минулому вважалося, що глибокі дефекти (навіть якщо їхня щільність низька) домінують у рекомбінації, оскільки модель гармонічного осцилятора прогнозує це”, – пояснює Кірхарц. «Однак перовскіти, як відомо, не підкоряються цій моделі, що означає, що електрони можуть зв’язуватися з деякими енергетично віддаленими станами».

Виконуючи свої вимірювання в часових масштабах від наносекунд до 170 мкс та в інтенсивності світла від дев’яти до десяти порядків величини, дослідники виявили, що диференціальний час розпаду носіїв заряду в їхніх зразках (Cs_0.05FA_0.73MA_0.22PbI_2.56Br_0.44 потрійні катіонні перовскітові плівки) підкоряється степеневому закону. Це переконливий доказ того, що їхній зразок має дуже мало глибоких дефектів і що дрібні дефекти домінують у рекомбінації, кажуть вони. «Раніше наявність неглибоких дефектів передбачалося лише теоретично, але навряд чи припускалося, що це буде настільки важливим у цьому контексті», — каже Кірхарц.

Перовскітові сонячні батареї досягли нових віх у стабільності та ефективності

Дослідники сподіваються, що їх робота змінить спосіб аналізу рекомбінації в перовскітних плівках і пристроях. «Ми розглядаємо наше дослідження як внесок в ідею пояснення того, як виконувати певні вимірювання для отримання кількісних даних, які можуть розрізняти різні моделі», — говорить Кірхарц. «Ми хочемо відійти від порівняльного дослідження, яке говорить: «Мій новий зразок кращий за попередні, дивіться експеримент A, B і C». Натомість ми хочемо, щоб аналіз даних був більш кількісним».

У майбутньому команда FZJ хоче поєднати свій підхід з іншим нещодавно описаний колегами з Кембриджського університету, Великобританія, яка може надати інформацію про транспортування носіїв заряду та рекомбінацію з одного вимірювання. «Ми також хочемо дослідити, як ми можемо отримати єдиний скалярний показник якості для рекомбінації з наближених розпадів степеневого закону (наприклад, число з одиницею, яка добре корелює зі шкалою «від хорошого до поганого»)», — розповідає Кірхарц. Світ фізики. «Це може бути менш простим, ніж для експоненціальних розпадів, але все одно має бути можливим».

Дослідження опубліковано в Матеріали природи.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/shallow-defects-drive-slow-recombination-high-efficiency-in-perovskite-solar-cells/