Nový výskum ukazuje veľký prísľub na zlepšenie účinnosti solárnych článkov

Nový výskum demonštruje veľký prísľub úplne anorganických perovskitových solárnych článkov na zlepšenie účinnosti solárnych článkov.

Hybridné organicko-anorganické perovskity už preukázali vysokú fotovoltaickú účinnosť viac ako 25%. Prevláda znalosť v tejto oblasti, že organické (uhlík a vodík obsahujúce) molekuly v materiáloch sú rozhodujúce pre dosiahnutie tohto pôsobivého výkonu, pretože sa predpokladá, že potláčajú rekombináciu nosiča asistovanú defektom.

Nový výskum na oddelení materiálov UC Santa Barbara ukázal nielen to, že tento predpoklad je nesprávny, ale že všetky anorganické materiály majú potenciál prekonať hybridné perovskity. Zistenia sú publikované v článku „Všetky anorganické halogenidové perovskity ako kandidáty na účinné solárne články“, ktorý sa nachádza na titulnej strane časopisu z 20. októbra 2021. fyzika bunkových správ.

„Aby sme porovnali materiály, vykonali sme rozsiahle simulácie rekombinačného mechanizmu,“ vysvetľuje vedúca štúdie Xie Zhang. „Keď svieti svetlo na materiál solárnych článkov, fotogenerované nosiče generujú prúd; Rekombinácia na defekty ničí niektoré z týchto nosičov, a preto znižuje účinnosť. Vady teda pôsobia ako zabijaky účinnosti. “

Na porovnanie anorganických a hybridných perovskitov vedci študovali dva prototypové materiály. Oba materiály obsahujú atómy olova a jódu, ale kryštálovú štruktúru v jednom materiáli dotvára anorganický prvok cézium, zatiaľ čo v druhom je molekula organického metylamónia.

Tieto procesy sú notoricky ťažko experimentálne vyriešiteľné, ale najmodernejšie kvantovo-mechanické výpočty môžu presne predpovedať miery rekombinácie vďaka novej metóde, ktorú v skupine vyvinul profesor materiálov UCSB Chris Van de Waale, ktorý pripísal zásluhu na Markovej skupine. Turiansky, postgraduálny študent v USA, pomáha napísať kód na výpočet mier rekombinácie.

„Naše metódy sú veľmi účinné pri určovaní, ktoré nosiče defektov spôsobujú škody,“ povedal Turiansky. „Je vzrušujúce vidieť prístup aplikovaný na jeden z kritických problémov našej doby, konkrétne na efektívnu výrobu obnoviteľnej energie.“

Bežné simulácie ukázali, že defekty spoločné pre oba materiály vedú k porovnateľným (a relatívne benígnym) hladinám rekombinácie. V hybridnom perovskite sa však organická molekula môže rozpadnúť; Keď dôjde k strate atómov vodíka, výsledné „voľné miesta“ vedú k drastickému zníženiu účinnosti. Prítomnosť molekuly je teda skôr nevýhodou než vlastnosťou celkovej účinnosti materiálu.

Prečo sa to teda neberie do úvahy experimentálne? Hlavne preto, že je náročnejšie pestovať vysokokvalitné vrstvy všetkých anorganických materiálov. Majú tendenciu prijímať iné kryštálové štruktúry a na podporu tvorby požadovanej štruktúry je potrebné väčšie experimentálne úsilie. Nedávny výskum však ukázal, že je určite možné získať preferovanú štruktúru. Problém však vysvetľuje, prečo sa nie všetkým anorganickým perovskitom do dnešného dňa venovalo toľko pozornosti.

„Dúfame, že naše zistenia týkajúce sa očakávanej účinnosti povzbudia ďalšie činnosti zamerané na výrobu anorganických perovskitov,“ uzavrel van de Waale.

Referencie: Zi Zhang, Mark E. Turiansky a Chris G. „Celoanorganické halogenidové perovskity ako kandidáti na účinné solárne články“, 11. októbra 2021, van de Waale fyzika bunkových správ.
DOI: 10,1016/j.xcrp.2021.100604

Financovanie tohto výskumu poskytol Úrad pre vedu ministerstva energetiky, Úrad základných energetických vied; Výpočty boli vykonané v Národnom vedeckom výpočtovom centre pre energetický výskum.