Солнечные элементы, изготовленные из пленок, имитирующих структуру минерала перовскита, находятся в центре внимания мировых исследований. Но только сейчас исследователи из Университета Кейс Вестерн Резерв прямо показали, что пленки обладают ключевым свойством, позволяющим им эффективно преобразовывать солнечный свет в электричество.
Выявление этого атрибута может привести к созданию более эффективных солнечных панелей.
Исследователи показали, что электроны, генерируемые при попадании света на пленку, не ограничены границами зерен - краями кристаллических субъединиц внутри пленки - и перемещаются на большие расстояния без разрушения. Это означает, что носители электрического заряда, которые попадают в ловушку и распадаются в других материалах, вместо этого доступны для отвода в виде тока.
Ученые впервые непосредственно измерили пройденное расстояние, называемое диффузионной длиной, с помощью метода, называемого «микроскопия с фототоковой визуализацией с пространственным сканированием». Диффузионная длина в хорошо ориентированной пленке перовскита достигает 20 микрометров.
Выводы, опубликованные в журнале Nano Letters, показывают, что солнечные элементы можно сделать толще без ущерба для их эффективности, сказал Сюань Гао, доцент кафедры физики и автор статьи.
«Более толстая ячейка может поглощать больше света, - сказал он, - что потенциально дает лучший солнечный элемент».
Встроенная эффективность
Исследователи солнечной энергетики считают, что пленки на основе перовскита имеют большие перспективы. Менее чем за пять лет пленки, изготовленные с кристаллической структурой, превзошли 20-процентную эффективность преобразования солнечного света в электричество - отметку, на достижение которой ушли десятилетия с помощью используемых сегодня солнечных элементов на основе кремния..
В этом исследовании лаборатория Гао провела пространственное сканирование изображения фототока на пленках, сделанных в лаборатории профессора химии Case Western Reserve Клеменса Бурда.
Минералы перовскита, встречающиеся в природе, представляют собой оксиды определенных металлов, но лаборатория Бурды изготовила металлоорганические пленки с такой же кристаллической структурой с использованием метиламмонийтрийодида свинца (CH3NH3PBI3), трехмерного галогенида свинца, окруженного небольшими органическими частицами. молекулы метиламмония, которые скрепляют структуру решетки.
«Вопрос заключался в следующем: «Почему эти солнечные элементы настолько эффективны? Если бы мы знали, мы могли бы еще больше улучшить перовскитные солнечные элементы», - сказал Бурда. «Люди думали, что это может быть связано с необычно длительным переносом электронов, и мы непосредственно измерили это».
Диффузионная длина - это расстояние, которое электрон или его противоположность, называемая дыркой, проходит от момента образования до рекомбинации или извлечения в виде электрического тока. Расстояние равно транспортной длине, когда не применяется электрическое поле (которое обычно увеличивает пройденное расстояние).
Измерение пути
Лаборатории провели повторные измерения, сфокусировав крошечное лазерное пятно на пленке площадью 8 квадратных миллиметров и толщиной 300 нанометров. Пленки были сделаны стабильными путем покрытия перовскита слоем полимера парилена.
Свет генерирует электроны и дырки, а фототок или поток электронов регистрируется между электродами, расположенными на расстоянии около 120 микрон друг от друга, в то время как пленка сканируется в двух перпендикулярных направлениях. Сканирование дает двумерную пространственную карту диффузии носителей и транспортных характеристик.
Измерения показали, что средняя длина диффузии составляет около 10 микрон. Исследователи заявили, что в некоторых случаях длина достигала 20 микрон, что свидетельствует о том, что функциональная площадь пленки составляет не менее 20 микрон.
В некоторых материалах границы зерен уменьшают проводимость, но визуализация показала, что эти границы между зернами в пленке не влияют на движение электронов. Гао и Бурда говорят, что это может быть связано с тем, что зерна в пленке хорошо выровнены, не вызывая импеданса или других вредных воздействий на электроны или дырки.
Бурда и Гао в настоящее время ищут федеральные средства для использования метода микроскопии, чтобы определить, изменяют ли свойства пленки различные размеры зерен, их ориентация, состав галоидного перовскита, толщина пленки и т. д., чтобы еще больше ускорить исследования в этой области.