Исследователи изучили типы дефектов в гибридных перовскитных материалах
Расширение использования солнечной энергии требуется для обеспечения растущих мировых потребностей. Чтобы обеспечить это расширение исследователи постоянно работают над совершенствованием полупроводниковых материалов. Одним из направлений работы являются гибридные перовскиты. Это материалы, состоящие как из органических, так и из неорганических ионов. Гибридные перовскиты являются многообещающими кандидатами на роль следующего поколения солнечных элементов. К их преимуществам относят более простое и более экономное серийное производство.
Но перед их выводом на коммерциализацию требуется увеличить эффективность и оценить пределы их возможностей. Исследователи под руководством профессора Кешава Дани (Keshav Dani) из Окинавского института науки и технологий аспирантуры (OIST) и группа специалистов по спектроскопии материалов и устройств оптоэлектроники под руководством д-ра Сэма Странкса (Sam Stranks) из Университета им. Кембриджа выявили три различных типа кластеров дефектов в ультрасовременных тонких пленках перовскита. Согласно их предположению, эти дефекты образуются во время производства перовскитного материала, и могут приводить к снижению его эффективности.
Кандидат наук в OIST и один из авторов исследования София Косар (Sofiia Kosar) сказала, что материал солнечного элемента должен в полной мере способствовать преобразованию солнечного света в электрическую энергию. В противном случае потенциал используется не полностью, что делает этот материал непригодным для коммерческого использования. Перовскит лежит в основе солнечного элемента, состоящего из множества различных слоёв. Когда на него попадают солнечные лучи, энергия поглощается перовскитом, в результате чего электроны переходят на более высокий энергетический уровень, и оставляют на своих местах «дыры». После этого электроны движутся в одном направлении через слои солнечного элемента к электрическому контакту. А образовавшиеся «дыры» движутся в противоположном направлении. В результате генерируется электрический ток.
Если на перовскитном материале имеются дефекты, то это может повлиять на образование «электронно-дырочных» пар или их накопление на контактах. В результате, такой солнечный элемент теряет эффективность, говорит София Косар.
Теоретически перовскитные солнечные элементы могут преобразовывать до 30% падающего на них солнечного света в электричество. Сейчас специалистам удалось создать гибридные перспективные элементы, которые преобразовывают примерно 20─25% солнечного света в электроэнергию.
Специалисты в данной сфере уже давно знают о существовании дефектов, снижающих эффективность перовскитных материалов. Однако раньше было неизвестно, имеют ли все эти дефекты одинаковые характеристики. И можно ли их устранить с помощью одинаковых мер во время производства. Поэтому в проведённом исследовании учёные использовали для визуализации дефектов современное оборудование с наноразмерным разрешением. Им удалось выявить три различных видов дефектов.
Самым вредным из дефектов, по мнению исследователей, является дефект границ зерен. Эти дефекты очень маленькие и находятся на границе между различными кристаллическими зернами перовскит нового материала. Они активно улавливают фотогенерируемые «дыры» и снижают эффективность областей, которые намного превышают их размер. Это существенно снижает рабочие характеристики перовскитного солнечного элемента.
Есть также политипные дефекты. Они появляются, когда материал кристаллизуется не в типичную кубическую структуру перовскита, а в гексагональную. Этот тип дефектов довольно распространён и отрицательно сказывается на эффективности солнечного элемента из-за того, что улавливает фотогенерированные «дыры». Как говорит София Косар, если в материале много политипных дефектов, они оказывают отрицательное воздействие, сопоставимое с дефектами границ зерен.
Исследователям также удалось выявить ещё один вид дефектов, которые образуются из осажденного йодида свинца (важный элемент перовскитного материала, используемый при производстве). Наблюдения учёных показали, что этот вид дефектов безвреден с точки зрения улавливания заряда и практически не влияет на эффективность солнечного элемента.
Исследовательская группа использовала подход, который часто применяется для уменьшения плотности дефектов в перовскитах. Это обработка светом и кислородом, чтобы увидеть реакцию этих дефектов. Перовскит подвергался воздействию умеренно насыщенный кислородом атмосферы и видимого света.
Они обнаружили, что дефекты по-разному реагирует на это воздействие. К примеру, наиболее вредные дефекты границ зерён залечивались и не оказывали влияния на «дыры». А вот на другие дефекты такое воздействие практически не оказывало влияния. Профессор Дани делает вывод, что для устранения различных типов дефектов требуется отдельные целенаправленные подходы. Только так можно улучшить характеристики перовскитных солнечных элементов. Более подробно об исследовании и выводы можно прочитать здесь.
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
