Люди могут хорошо скрывать напряжение, и мы не одиноки. Солнечные батареи обладают таким же талантом. Для солнечного элемента физическое напряжение внутри его микроскопической кристаллической структуры может нарушить его основную функцию - преобразование солнечного света в электричество - по существу «теряя» энергию в виде тепла. Для нового типа солнечных элементов, известных как перовскиты на основе галогенидов свинца, уменьшение и сдерживание этих потерь является ключом к повышению эффективности и доведению перовскитов до уровня современных кремниевых солнечных элементов.
Чтобы понять, где в солнечном элементе накапливается напряжение и вызывает потерю энергии, ученые должны визуализировать основную зернистую структуру кристаллов перовскита внутри солнечного элемента. Но лучший подход заключается в бомбардировке солнечного элемента высокоэнергетическими электронами, которые сжигают солнечный элемент и делают его бесполезным.
Исследователи из Вашингтонского университета и Института атомной и молекулярной физики FOM в Нидерландах разработали способ освещения напряжения в перовскитных солнечных элементах из галогенида свинца, не повреждая их. Их подход, опубликованный в Интернете 10 сентября в журнале Joule, позволил визуализировать структуру зерен перовскитового солнечного элемента, показав, что разориентация между микроскопическими кристаллами перовскита является основным фактором, способствующим накоплению напряжения внутри солнечного элемента. Разориентация кристаллов создает мелкие дефекты в структуре зерен, которые прерывают перенос электронов внутри солнечного элемента и приводят к потерям тепла в результате процесса, известного как безызлучательная рекомбинация..
«Объединяя наше оптическое изображение с новым детектором электронов, разработанным в FOM, мы можем фактически увидеть, как отдельные кристаллы ориентированы и собраны вместе в перовскитном солнечном элементе», - сказал старший автор Дэвид Джинджер, профессор Калифорнийского университета в Вашингтоне. химик и главный научный сотрудник Института чистой энергии UW.«Мы можем показать, что деформации возникают из-за ориентации зерен, и эту информацию исследователи могут использовать для улучшения процессов синтеза и производства перовскита, чтобы создавать лучшие солнечные элементы с минимальной деформацией и, следовательно, с минимальными потерями тепла из-за безызлучательной рекомбинации».
Галогениды свинца перовскиты - это дешевые, пригодные для печати кристаллические соединения, которые обещают стать недорогими, адаптируемыми и эффективными альтернативами солнечным элементам на основе кремния или арсенида галлия, которые широко используются сегодня. Но даже самые лучшие перовскитные солнечные элементы теряют часть электричества в виде тепла в микроскопических точках, разбросанных по всей ячейке, что снижает эффективность.
Ученые уже давно используют флуоресцентную микроскопию для определения мест на поверхности перовскитных солнечных элементов, которые снижают эффективность. Но чтобы определить места дефектов, вызывающих потерю тепла, исследователям необходимо отобразить истинную зернистую структуру пленки, по словам первого автора Сартака Джаривала, докторанта Университета Вашингтона в области материаловедения и инженерии и аспиранта Института чистой энергии.
«Исторически сложилось так, что визуализация истинной зернистой структуры, лежащей в основе солнечного элемента, была невозможна без повреждения солнечного элемента», - сказал Джаривала.
Обычные подходы к изучению внутренней структуры используют форму электронной микроскопии, называемую дифракцией обратного рассеяния электронов, которая обычно сжигает солнечный элемент. Но ученые из Института атомной и молекулярной физики FOM во главе с соавторами Эриком Гарнеттом и Бруно Эрлером разработали улучшенный детектор, который может захватывать дифракционные изображения обратного рассеяния электронов при меньшем времени экспозиции, сохраняя при этом структуру солнечного элемента..
Изображения солнечных элементов из перовскита, полученные в лаборатории Джинджер, показывают зернистую структуру, напоминающую дно высохшего озера, с «трещинами», представляющими собой границы между тысячами отдельных зерен перовскита. Используя эти данные изображения, исследователи впервые смогли отобразить трехмерную ориентацию кристаллов в функционирующем солнечном элементе из перовскита. Они также могли определить, где несоосность кристаллов создавала напряжение.
Когда исследователи наложили изображения структуры зерен перовскита на центры безызлучательной рекомбинации, которые Джаривала изобразил с помощью флуоресцентной микроскопии, они обнаружили, что безызлучательная рекомбинация может происходить и за пределами видимых границ.
«Мы думаем, что напряжение локально деформирует структуру перовскита и вызывает дефекты», - сказал Джинджер. «Эти дефекты могут затем нарушить передачу электрического тока внутри солнечного элемента, вызывая безызлучательную рекомбинацию - даже в другом месте на поверхности».
Хотя команда Джинджер ранее разработала методы «исцеления» некоторых из этих дефектов, которые служат центрами безызлучательной рекомбинации в перовскитных солнечных элементах, в идеале исследователи хотели бы разработать методы синтеза перовскита, которые уменьшат или устранят не- вообще излучательная рекомбинация.
«Теперь мы можем исследовать такие стратегии, как контроль размера зерен и распространение ориентации в процессе синтеза перовскита», - сказал Джинджер. «Это могут быть способы уменьшить дезориентацию и напряжение - и, в первую очередь, предотвратить образование дефектов».