Солнечные элементы на основе соединений перовскита вскоре могут сделать производство электроэнергии из солнечного света еще более эффективным и дешевым. Лабораторная эффективность этих перовскитных солнечных элементов уже превышает эффективность известных кремниевых солнечных элементов. Международная группа под руководством Стефана Вебера из Института исследований полимеров Макса Планка в Майнце обнаружила микроскопические структуры в кристаллах перовскита, которые могут управлять переносом заряда в солнечном элементе. Умное выравнивание этих электронных магистралей может сделать солнечные элементы из перовскита еще более мощными.
Когда солнечные элементы преобразуют солнечный свет в электричество, электроны материала внутри элемента поглощают энергию света. Традиционно этим светопоглощающим материалом является кремний, но перовскиты могут оказаться более дешевой альтернативой. Электроны, возбужденные солнечным светом, собираются специальными контактами сверху и снизу ячейки. Однако, если электроны остаются в материале слишком долго, они могут снова потерять свою энергию. Поэтому, чтобы свести к минимуму потери, они должны добраться до контактов как можно быстрее.
Микроскопически маленькие структуры в перовскитах - так называемые сегнетоэластичные двойные домены - могут быть полезны в этом отношении: они могут влиять на скорость движения электронов. Это явление обнаружила международная исследовательская группа под руководством Стефана Вебера из Института исследований полимеров имени Макса Планка в Майнце. Структуры в форме полос, которые исследовали ученые, образуются самопроизвольно при изготовлении перовскита за счет механического напряжения в материале. Объединив два метода микроскопии, исследователи смогли показать, что электроны движутся гораздо быстрее параллельно полосам, чем перпендикулярно им. «Домены действуют как крошечные магистрали для электронов», - сравнивает Стефан Вебер.
Возможные применения в светодиодах и детекторах излучения
Для своих экспериментов исследователи сначала должны были визуализировать домены в форме полос. Им удалось это сделать с помощью пьезосилового микроскопа (ПСМ). Пять лет назад Вебер и его коллеги впервые обнаружили домены в кристалле перовскита с помощью этого метода. «Тогда мы уже задавались вопросом, влияют ли структуры на работу перовскитного солнечного элемента», - объясняет Вебер. «Наши последние результаты показывают, что это так».
Прорыв произошел, когда исследователи сравнили свои изображения PFM с данными, полученными с помощью другого метода, называемого фотолюминесцентной микроскопией.«Наш детектор фотолюминесценции работает как ловушка скорости», - объясняет Илка Гермес, исследователь группы Вебера и первый автор исследования. «Мы используем его для измерения скорости электронов в разных направлениях на микроскопическом уровне». Гермес обнаружил, что вдоль полос электроны движутся примерно на 50-60 % быстрее, чем перпендикулярно им. «Если бы нам удалось сделать так, чтобы полосы указывали прямо на электроды, солнечный элемент из перовскита мог бы стать намного эффективнее», - заключает Hermes.
С новыми результатами можно улучшить не только солнечные элементы. Другие оптоэлектронные приложения, такие как светоизлучающие диоды или детекторы излучения, также могут выиграть от направленного переноса заряда. «Вообще, это преимущество, если мы можем направить электроны в правильном направлении», - объясняет Стефан Вебер. Идея исследователей: подвергать кристаллы перовскита механическим воздействиям при их производстве. Эта так называемая инженерия деформации позволила бы оптимизировать ориентацию электронных магистралей.