浅缺陷驱动钙钛矿太阳能电池的缓慢复合和高效率 – 物理世界

由钙钛矿材料制成的太阳能电池的极高效率一直困扰着科学家近 20 年。现在，研究人员在 于利希研究中心 (FZJ) 德国表示他们已经找到了解释。通过研究材料在宽动态范围内的光致发光，他们表明钙钛矿太阳能电池中的自由电荷载流子（电子和空穴）重组非常缓慢，从而延长了载流子的寿命并提高了电池的效率。他们的工作还表明，材料中的浅层缺陷在重组发生时发挥着重要作用——这些知识可以帮助科学家进一步提高效率。

当阳光中的光子将电子从电池材料中的较低能量价带激发到较高能量的导带时，太阳能电池就会发电。一旦发生这种情况，电子和它们留下的带正电的空穴都可以自由移动，从而产生电流。问题在于光生电子和空穴最终会重新结合，当这种情况发生时，它们不再对电流产生贡献。这种复合过程是太阳能电池效率低下的主要原因。

重组的一个主要触发因素是太阳能电池材料在制造过程中自然产生的缺陷。研究人员此前认为罪魁祸首是位于价带和导带中间的缺陷。 “这是因为这些‘深层缺陷’同样容易受到激发电子及其对应物空穴的影响，”解释道 托马斯·科哈茨领导这项研究的 FZJ 物理学家。

钙钛矿太阳能电池不同

然而，Kirchartz 和同事表明，由钙钛矿制成的太阳能电池的情况并非如此。这些材料有 ABX₃ 化学结构（其中 A 是铯和甲基铵 (MA) 或甲脒 (FA)，B 是铅或锡，X 是氯、溴或碘），FZJ 团队表明，对于他们来说，浅缺陷——即缺陷位于不在带隙中间，而是靠近价带或导带——在复合中发挥更重要的作用。

该团队获得这一结果得益于一种新的光致发光技术，该技术可以以更好的分辨率测量更广泛的光强度。这种方法通过叠加放大到不同程度的信号而成为可能，这意味着他们可以区分浅层缺陷引起的损失过程和深层缺陷引起的损失过程——这在以前的测量中是不可能的。

“过去，人们认为深层缺陷（即使它们的密度很低）主导复合，因为谐振子模型 预测这个”，Kirchartz 解释道。 “然而，众所周知，钙钛矿不遵守这个模型，这意味着电子可以耦合到一些能量上遥远的状态。”

通过在从纳秒到 170 µs 的时间尺度以及跨越 10 到 XNUMX 个数量级的光强度上进行测量，研究人员发现样品中电荷载流子的差分衰减时间 (Cs_0.05FA_0.73MA_0.22铅_2.56Br_0.44 三阳离子钙钛矿薄膜）遵循幂律。他们说，这是强有力的证据，表明他们的样品几乎没有深层缺陷，并且浅层缺陷主导着复合。 “以前仅在理论上预测过浅层缺陷的存在，但几乎没有人认为它在这种情况下会如此重要，”基尔哈茨说。

钙钛矿太阳能电池在稳定性和效率方面达到新的里程碑

研究人员希望他们的工作将改变钙钛矿薄膜和器件中重组的分析方式。 “我们认为我们的研究对解释如何执行某些测量以获得可以区分不同模型的定量数据的想法做出了贡献，”Kirchartz 说。 “我们希望摆脱这样的比较研究：‘我的新样品比以前的样品更好，请参见实验 A、B 和 C。’相反，我们希望数据分析更加定量。”

展望未来，FZJ 团队现在希望将其方法与另一种方法结合起来 剑桥大学的同事最近描述了，英国可能会通过单次测量提供有关电荷载流子传输和重组的信息。 “我们还想探索如何从近似幂律衰减中获得用于重组的单一标量品质因数（例如，一个数字的单位与‘从好到坏’的范围密切相关），”Kirchartz 说道。 物理世界。 “这可能不如指数衰减那么简单，但仍然是可能的。”

该研究发表在 自然材料.

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/shallow-defects-drive-slow-recombination-high-efficiency-in-perovskite-solar-cells/