Undersøgelse modbeviser antagelsen om perovskit-solceller og viser, at lavvandede defekter dominerer med hensyn til effektivitet

Gratis ladningsbærere i perovskit-solceller har sandsynligvis en særlig form for beskyttelse mod rekombination, har forskere ved Forschungszentrum Jülich opdaget ved hjælp af innovative fotoluminescensmålinger.

Meget effektive og relativt billige at producere - perovskit-solceller har været genstand for gentagne overraskelser i de senere år. Forskere ved Forschungszentrum Jülich har nu opdaget en anden speciel egenskab ved cellerne ved hjælp af en ny fotoluminescensmålingsteknik.

De fandt ud af, at tabet af ladningsbærere i denne celletype følger andre fysiske love end dem, der er kendt for de fleste halvledere. Dette kan være en af ​​hovedårsagerne til deres høje effektivitetsniveau. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Nature Materials .

Perovskit-solceller anses for at være meget lovende til solceller, selvom deres stabilitet lader meget tilbage at ønske. Celler af denne type er billige at udskrive og meget effektive. I det sidste årti er deres effektivitet fordoblet til mere end 25 % og er derfor lige nu på niveau med konventionelle solceller lavet af silicium. Yderligere forbedringer ser også ud til at være mulige i fremtiden.

"En vigtig faktor her er spørgsmålet om, hvor længe exciterede ladningsbærere forbliver i materialet, med andre ord deres levetid," forklarer Thomas Kirchartz. "Forståelse af processerne er afgørende for yderligere at forbedre effektiviteten af ​​perovskit-baserede solceller." Elektroingeniøren er leder af en arbejdsgruppe om organiske og hybride solceller på Forschungszentrum Jülichs Institut for Energi- og Klimaforskning (IEK-5).

Det er levetiden, der tæller

I en solcelle løsnes elektroner af fotoner og hæves til et højere energiniveau fra valensbåndet til ledningsbåndet. Først da kan de bevæge sig mere frit og flyde gennem et eksternt kredsløb. De kan kun bidrage til generering af elektrisk energi, hvis deres levetid er lang nok til, at de kan passere gennem absorbermaterialet til den elektriske kontakt. En exciteret elektron efterlader også et hul i det underliggende valensbånd - en mobil tomhed, der kan bevæges gennem materialet som en positiv ladningsbærer.

Det er hovedsageligt defekter i krystalgitteret, der sørger for, at exciterede elektroner hurtigt falder tilbage til lavere energiniveauer igen. De berørte elektroner er så ikke længere i stand til at bidrage til strømmen. "Denne mekanisme er også kendt som rekombination og er den vigtigste tabsproces for hver solcelle," siger Kirchartz.

Rekombination afgørende for effektiviteten

Ingen solcelle er perfekt på atomniveau; hver enkelt har forskellige typer defekter på grund af fremstillingsprocessen. Disse defekter eller fremmede atomer i gitterstrukturen er samlingspunkterne, hvor elektroner og huller har tendens til at komme sammen. Elektronerne falder derefter tilbage i valensbåndet og bliver værdiløse med hensyn til elproduktion.

"Det var tidligere blevet antaget, at rekombination overvejende udløses af defekter, der er energetisk placeret i midten mellem valens- og ledningsbåndene. Dette skyldes, at disse dybe defekter på samme måde er tilgængelige for exciterede elektroner og deres modstykker, hullerne," siger Kirchartz. Dette er sandsynligt sandt for de fleste typer solceller.

Lavgrunde defekter dominerer

Kirchartz og hans team har dog nu modbevist denne antagelse for perovskit-solceller og vist, at de overfladiske defekter i sidste ende er afgørende med hensyn til deres endelige effektivitet. I modsætning til de dybe defekter er de ikke placeret i midten af ​​båndgabet, men meget tæt på valens- eller ledningsbåndet.

"Årsagen til denne usædvanlige adfærd er endnu ikke helt klarlagt," tilføjer Kirchartz. "Det er rimeligt at antage, at dybe defekter simpelthen ikke kan eksistere i disse materialer. Denne begrænsning kan også være en af ​​årsagerne til cellernes særligt høje effektivitet."

Ny HDR-måleteknik med udvidet dynamikområde

Observationen blev kun muliggjort af innovative transient fotoluminescensmålinger. I tidligere målinger var det ikke muligt at skelne tabsprocesser forårsaget af overfladiske defekter fra dem forårsaget af andre faktorer.

Den nye målemetode udviklet af Thomas Kirchartz og hans team hos Forschungszentrum Jülich leverer data med et markant øget dynamikområde sammenlignet med konventionel teknologi, det vil sige data over et større måleområde og med bedre fingradation. Processen er baseret på et princip svarende til HDR-billeder i høj dynamisk områdekvalitet. Kameraets dynamiske rækkevidde øges ved at overlejre forskellige billeder eller målinger – i dette tilfælde signaler med forskellige forstærkningsniveauer – for at skabe et datasæt.

Flere oplysninger: Ye Yuan et al., Shallow defekter og variable fotoluminescens henfaldstider op til 280 µs i triple-kation perovskites, Naturmaterialer (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01771-2

Journaloplysninger: Naturmaterialer

Leveret af Forschungszentrum Juelich