Afsløring af de mikroskopiske mekanismer i perovskite solceller

Et materiale med perovskit -krystalstrukturen er blevet meget populært for solceller. Mens de fleste perovskitter er uorganiske forbindelser, dette nye materiale er en hybrid af relativt billige organiske og uorganiske materialer. På få år, forskere har opnået bemærkelsesværdig effektomdannelseseffektivitet med disse perovskitter, kan sammenlignes med de bedste tilgængelige fotovoltaiske materialer.

Nu, forskere fra Japan har afsløret fysikken for, hvordan en vigtig komponent i en perovskit solcelle fungerer - et fund, der kan føre til forbedrede solceller eller endnu nyere og bedre materialer. De beskriver deres eksperimenter i denne uges nummer af tidsskriftet Anvendt fysik bogstaver .

"De vigtigste undersøgelser har fokuseret på at forbedre [solcelles] effektivitet [med perovskit], "sagde Kazuhiro Marumoto fra University of Tsukuba." Men den mikroskopiske mekanisme bag [hvordan] disse solceller [ved hjælp af perovskitter virker] er ikke blevet undersøgt fuldt ud. "

Solceller virker ved at omdanne lysenergi til elektricitet. Når en foton rammer perovskitten, for eksempel, det slår en elektron løs. Den tomme plet, der forlades af elektronen, kaldes et hul, og fungerer som en positivt ladet partikel. Den efterfølgende bevægelse af elektroner og huller er det, der genererer elektrisk strøm.

Fordi perovskitten selv ikke udfører hullers bevægelse særlig godt, solceller kræver et ekstra lag af et hultransportmateriale for at lette strømmen. Et almindeligt hultransportmateriale er en forbindelse kaldet spiro-OMeTAD. For at øge strømmen endnu mere, forskere tilføjer et litiumsalt kaldet LiTFSI til spiro-OMeTAD. Denne proces kaldes "doping".

Spiro-OMeTAD er et amorft materiale, hvilket giver det nogle unikke egenskaber. De fleste faste materialer har veldefinerede elektroniske energibånd, hvor elektroner og huller kan bevæge sig for at transportere gennem materialet. Krystaller, for eksempel, har ofte båndstrukturer, der muliggør symmetrisk strømning af både elektroner og huller. Men amorfe materialer gør det ikke.

På grund af denne asymmetriske båndstruktur, huller kan have svært ved at rejse gennem et amorft materiale, fordi de kan blive fanget i et bestemt energiniveau. Men, ifølge teorien, doping spiro-OMeTAD med LiTFSI forhindrer hullerne i at blive fanget.

Par elektroner optager hvert energiniveau i spiro-OMeTAD. Men når LiTFSI introduceres, en af ​​disse elektroner fjernes, efterlader et hul på sin plads. Tilstedeværelsen af ​​det hul forhindrer andre huller i at sidde fast på det energiniveau, tillader dem at bevæge sig frit og generere elektrisk strøm.

Tidligere har ingen har bekræftet denne proces. Men Marumoto og hans kolleger har nu brugt elektron -spin -resonans (ESR) spektroskopi til at vise, at denne mekanisme er, faktisk, ansvarlig for at forbedre spiro-OMeTADs evne til at bære strøm.

ESR -spektroskopi måler spin af single, uparede elektroner, hvilket er det, der er skabt, når spiro-OMeTAD er dopet med LiTFSI. I forsøg uden lys, forskerne fandt ud af, at antallet af elektron-spins i spiro-OMeTAD steg med to størrelsesordener efter at være blevet dopet, bekræfter effekten af ​​LiTFSI.

For at se, hvordan doping påvirker effektiviteten af ​​en perovskite/spiro-OMeTAD solcelle, forskerne udførte derefter deres eksperimenter med de to materialer lagdelt sammen, med lysene tændt. Lyset får huller til at overføres fra perovskit til spiro-OMeTAD og generere elektrisk strøm. Forskerne fandt ud af, at doping øgede denne huloverførsel, demonstrere, hvordan LiTFSI forbedrer effektiviteten af ​​en solcelle.