Zespół wykazuje wielką obietnicę z nieorganicznymi perowskitowymi ogniwami słonecznymi, aby poprawić wydajność ogniw słonecznych

Organiczny i nieorganiczny hybrydowy perowskit wykazał już wysoką wydajność w ogniwach fotowoltaicznych na poziomie ponad 25%. Dominująca wiedza w tej dziedzinie jest taka, że ​​cząsteczki organiczne (zawierające węgiel i wodór) w materiale są niezbędne do osiągnięcia tej niesamowitej wydajności, ponieważ uważa się, że zapobiegają rekombinacji nośnika wspomaganej defektami.

Nowe badania na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara Materiały Dział wykazał nie tylko, że to założenie jest błędne, ale także, że wszystkie materiały nieorganiczne mają potencjał, aby przewyższyć wydajność hybrydową. perowskit. Wyniki zostały opublikowane w artykule zatytułowanym „All-nieorganiczne perowskity halogenkowe jako kandydaci do wydajnych ogniw słonecznych”, który ukazał się na okładce wydania z 20 października. Raporty komórkowe Nauki fizyczne.

„Aby porównać materiały, przeprowadziliśmy obszerne symulacje mechanizmów rekombinacji” – wyjaśnił Xie Zhang, główny badacz badania. „Kiedy światło pada na materiał ogniw słonecznych, fotogenerowane nośniki generują prąd; rekombinacja w defektach niszczy niektóre z tych nośników, a tym samym zmniejsza wydajność. W ten sposób defekty działają jak zabójca wydajności”.

Aby porównać perowskit nieorganiczny i hybrydowy, naukowcy zbadali dwa podstawowe materiały modelowe. Obie substancje zawierają atomy ołowiu i jodu, ale w jednej substancji struktura krystaliczna Uzupełnia go nieorganiczny pierwiastek cez, podczas gdy w drugim występuje organiczna cząsteczka metyloamon.

Eksperymentalne uporządkowanie tych procesów jest bardzo trudne, ale najnowsze obliczenia mechaniki kwantowej mogą dokładnie przewidzieć tempo rekombinacji, dzięki nowej metodologii opracowanej przez profesora Chrisa Van de Waala z UCSB Materials Group, który przypisuje Markowi. Turiansky, doktorant w grupie, pomaga napisać kod do obliczania szybkości rekombinacji.

„Nasze metody są bardzo skuteczne w identyfikacji defektów, które powodują utratę nośnika” – powiedział Turiansky. „To ekscytujące widzieć podejście zastosowane do jednego z kluczowych problemów naszych czasów, wydajnego wytwarzania energii odnawialnej”.

Przeprowadzenie symulacji wykazało, że wspólne defekty w obu materiałach skutkują porównywalnymi (i stosunkowo łagodnymi) poziomami rekombinacji. Jednak cząsteczka organiczna może dysocjować w hybrydowym perowskicie; Gdy następuje utrata atomów wodoru, powstałe „wakaty” poważnie zmniejszają wydajność. Tak więc obecność cząsteczki jest szkodliwa dla ogólnej wydajności materiału, a nie jest atutem.

Dlaczego zatem nie obserwuje się tego doświadczalnie? Wynika to głównie z trudności w uprawie wysokiej jakości warstw materiałów całkowicie nieorganicznych. Mają tendencję do przyjmowania innych struktur krystalicznych, a wzmocnienie tworzenia pożądanej struktury wymaga większego wysiłku eksperymentalnego. Ostatnie badania wykazały jednak, że uzyskanie preferowanej struktury jest z pewnością możliwe. Trudność ta wyjaśnia jednak, dlaczego perowskit nieorganiczny nie cieszył się dotąd tak dużą uwagą.

„Mamy nadzieję, że nasze odkrycia dotyczące oczekiwanej wydajności pobudzą dalsze działania ukierunkowane na produkcję nieorganicznego perowskitu” – podsumował Van de Waale.