Các khuyết tật nông thúc đẩy quá trình tái hợp chậm, hiệu suất cao ở pin mặt trời perovskite – Vật lý Thế giới

Các khuyết tật nông thúc đẩy quá trình tái hợp chậm, hiệu suất cao ở pin mặt trời perovskite – Vật lý Thế giới

Dấu thời gian: ngày 7 tháng 2024 năm 9 31:XNUMX sáng

Hình ảnh Genghua Yan đeo kính bảo hộ laser khi cô thao tác với thiết bị trong phòng thí nghiệm
Trạm đo quang phát quang: Thành viên nhóm Genghua Yan chịu trách nhiệm thực hiện nhiều phép đo trong nghiên cứu. (Được phép: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach)

Hiệu suất cao đáng kể của pin mặt trời làm từ vật liệu gọi là perovskites đã khiến các nhà khoa học bối rối trong gần 20 năm. Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Forschungszentrum Jülich (FZJ) ở Đức nói rằng họ đã tìm ra lời giải thích. Bằng cách nghiên cứu sự phát quang của vật liệu trên phạm vi động rộng, họ đã chỉ ra rằng các hạt mang điện tự do (electron và lỗ trống) trong pin mặt trời perovskite tái kết hợp rất chậm, làm tăng tuổi thọ của hạt mang và tăng hiệu quả của pin. Công trình của họ còn tiết lộ rằng những khiếm khuyết nông trong vật liệu đóng vai trò quan trọng trong quá trình tái hợp khi nó xảy ra – kiến ​​thức có thể giúp các nhà khoa học tăng hiệu quả hơn nữa.

Pin mặt trời tạo ra điện khi các photon từ ánh sáng mặt trời kích thích các electron từ dải hóa trị năng lượng thấp hơn trong vật liệu tế bào sang dải dẫn năng lượng cao hơn. Khi điều này xảy ra, cả electron và lỗ trống tích điện dương mà chúng để lại có thể di chuyển tự do, tạo ra dòng điện. Vấn đề là các electron và lỗ quang cảm ứng cuối cùng sẽ kết hợp lại và khi điều này xảy ra, chúng không còn đóng góp vào dòng điện nữa. Quá trình tái hợp này là nguyên nhân chính gây ra sự kém hiệu quả trong pin mặt trời.

Nguyên nhân chính gây ra sự tái hợp là các khiếm khuyết phát sinh tự nhiên trong vật liệu pin mặt trời trong quá trình sản xuất. Các nhà nghiên cứu trước đây đã nghĩ rằng thủ phạm chính là những khiếm khuyết nằm ở vị trí năng lượng ở giữa vùng hóa trị và vùng dẫn. “Điều này là do những 'khiếm khuyết sâu' này có thể tiếp cận được tương tự đối với các electron bị kích thích và các bản sao của chúng, các lỗ trống,” giải thích Thomas Kirchartz, một nhà vật lý tại FZJ, người đứng đầu nghiên cứu.

Pin mặt trời Perovskite có gì khác biệt

Tuy nhiên, Kirchartz và các đồng nghiệp đã chứng minh rằng điều này không xảy ra ở pin mặt trời làm từ perovskites. Những vật liệu này có ABX3 cấu trúc hóa học (trong đó A là Caesium và methylammonium (MA) hoặc formamidinium (FA), B là chì hoặc thiếc và X là clo, brom hoặc iốt), và nhóm FZJ đã chỉ ra rằng đối với họ, các khuyết tật nông - nghĩa là các khuyết tật được định vị không phải ở giữa vùng cấm mà ở gần vùng hóa trị hoặc vùng dẫn - đóng vai trò quan trọng hơn trong quá trình tái hợp.

Nhóm nghiên cứu thu được kết quả này nhờ kỹ thuật phát quang mới có thể đo phạm vi cường độ ánh sáng rộng hơn với độ phân giải tốt hơn. Cách tiếp cận này, có thể thực hiện được bằng cách áp dụng các tín hiệu được khuếch đại ở những mức độ khác nhau, có nghĩa là họ có thể phân biệt các quá trình tổn hao gây ra bởi các khuyết tật nông với các quá trình gây ra bởi các khuyết tật sâu – điều không thể thực hiện được trong các phép đo trước đây.

“Trước đây, người ta cho rằng các khuyết tật sâu (ngay cả khi mật độ của chúng thấp) chiếm ưu thế trong quá trình tái hợp vì mô hình dao động điều hòa dự đoán điều này,” Kirchartz giải thích. “Tuy nhiên, perovskite được biết là không tuân theo mô hình này, điều đó có nghĩa là các electron có thể kết hợp với một số trạng thái ở xa về mặt năng lượng.”

Bằng cách thực hiện các phép đo của họ theo thang thời gian từ nano giây đến 170 µs và trên cường độ ánh sáng kéo dài từ 10 đến XNUMX bậc độ lớn, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng thời gian phân rã vi phân của các hạt mang điện trong mẫu của họ (Cs0.05FA0.73MA0.22PbI2.56Br0.44 màng perovskite ba cation) tuân theo định luật lũy thừa. Họ nói rằng đây là bằng chứng mạnh mẽ cho thấy mẫu của họ có rất ít khuyết tật sâu và các khuyết tật nông chiếm ưu thế trong quá trình tái hợp. Kirchartz nói: “Sự hiện diện của các khuyết tật nông chỉ được dự đoán trước đây về mặt lý thuyết, nhưng hiếm khi người ta cho rằng nó lại quan trọng đến vậy trong bối cảnh này”.

Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng công việc của họ sẽ thay đổi cách phân tích sự tái hợp trong màng và thiết bị perovskite. Kirchartz cho biết: “Chúng tôi coi nghiên cứu của mình là một đóng góp cho ý tưởng giải thích cách thực hiện các phép đo nhất định để thu được dữ liệu định lượng có thể phân biệt giữa các mô hình khác nhau”. “Chúng tôi muốn thoát khỏi nghiên cứu so sánh có nội dung: 'Mẫu mới của tôi tốt hơn các mẫu trước đó, hãy xem thí nghiệm A, B và C.' Thay vào đó, chúng tôi muốn phân tích dữ liệu mang tính định lượng hơn.”

Trong tương lai, nhóm FZJ muốn kết hợp cách tiếp cận của mình với một phương pháp khác được mô tả gần đây bởi các đồng nghiệp tại Đại học Cambridge, Vương quốc Anh có thể cung cấp thông tin về sự vận chuyển và tái hợp hạt mang điện từ một phép đo duy nhất. Kirchartz nói: “Chúng tôi cũng muốn khám phá cách chúng tôi có thể thu được một giá trị vô hướng duy nhất cho sự tái hợp từ các phân rã định luật lũy thừa gần đúng (ví dụ: một số có đơn vị tương quan tốt với thang đo từ 'tốt đến xấu')," Kirchartz nói. Thế giới vật lý. “Điều này có thể ít đơn giản hơn so với phân rã theo cấp số nhân nhưng vẫn có thể thực hiện được.”

Nghiên cứu được công bố trong Vật liệu tự nhiên.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý