Материал с кристаллической структурой перовскита стал очень популярным для солнечных элементов. Хотя большинство перовскитов представляют собой неорганические соединения, этот новый материал представляет собой гибрид относительно недорогих органических и неорганических материалов. Всего за несколько коротких лет исследователи добились выдающейся эффективности преобразования энергии с помощью этих перовскитов, сравнимой с лучшими доступными фотогальваническими материалами.
Теперь исследователи из Японии раскрыли физику того, как работает важный компонент перовскитного солнечного элемента - открытие, которое может привести к улучшенным солнечным элементам или даже более новым и лучшим материалам. Они описывают свои эксперименты в выпуске журнала Applied Physics Letters за эту неделю от издательства AIP.
«Основные исследования были сосредоточены на повышении эффективности [солнечных элементов] [с помощью перовскита]», - сказал Казухиро Марумото из Университета Цукуба. «Но микроскопический механизм [как] эти солнечные элементы [работают с использованием перовскитов] не был полностью исследован».
Солнечные элементы работают путем преобразования энергии света в электричество. Например, когда фотон попадает в перовскит, он выбивает электрон. Пустое место, освобождаемое электроном, называется дыркой и действует как положительно заряженная частица. Последующее движение электронов и дырок создает электрический ток.
Поскольку перовскит сам по себе не очень хорошо проводит движение дырок, солнечным элементам требуется дополнительный слой материала для переноса дырок, чтобы облегчить протекание тока. Одним из распространенных материалов для переноса дырок является соединение, называемое спиро-OMeTAD. Чтобы еще больше усилить ток, исследователи добавляют литиевую соль под названием LiTFSI к спиро-OMeTAD. Этот процесс называется «допинг».
Spiro-OMeTAD - аморфный материал, что придает ему ряд уникальных свойств. Большинство твердых материалов имеют четко определенные электронные энергетические зоны, в которых электроны и дырки могут перемещаться для переноса через материал. Кристаллы, например, часто имеют зонную структуру, обеспечивающую симметричный поток как электронов, так и дырок. А вот аморфные материалы - нет.
Из-за этой асимметричной зонной структуры дыркам может быть трудно перемещаться через аморфный материал, потому что они могут попасть в ловушку на определенном энергетическом уровне. Но, согласно теории, легирование спиро-OMeTAD LiTFSI предотвращает захват дырок.
Пары электронов занимают каждый энергетический уровень в спиро-OMeTAD. Но когда вводится LiTFSI, один из этих электронов удаляется, оставляя на его месте дырку. Наличие этого отверстия предотвращает застревание других отверстий на этом энергетическом уровне, позволяя им свободно двигаться и генерировать электрический ток.
Ранее этот процесс никто не подтверждал. Но теперь Марумото и его коллеги использовали спектроскопию электронного спинового резонанса (ЭПР), чтобы показать, что этот механизм фактически отвечает за улучшение способности спиро-OMeTAD проводить ток.
Спектроскопия ЭПР измеряет спин одиночных неспаренных электронов, который создается, когда спиро-OMeTAD легируется LiTFSI. В экспериментах без света исследователи обнаружили, что число электронных спинов в спиро-OMeTAD после легирования увеличилось на два порядка, что подтверждает эффект LiTFSI.
Чтобы увидеть, как допинг влияет на эффективность солнечного элемента из перовскита/спиро-OMeTAD, исследователи провели свои эксперименты с двумя материалами, наложенными друг на друга, при включенном свете. Свет заставляет дырки переходить из перовскита в спиро-OMeTAD и генерировать электрический ток. Исследователи обнаружили, что легирование усиливает этот перенос дырок, демонстрируя, как LiTFSI повышает эффективность солнечного элемента.