Ett material med perovskitkristallstrukturen har blivit mycket populärt för solceller. Medan de flesta perovskiter är oorganiska föreningar, detta nya material är en hybrid av relativt billiga organiska och oorganiska material. På bara några korta år, forskare har uppnått anmärkningsvärd effektomvandlingseffektivitet med dessa perovskiter, jämförbar med de bästa fotovoltaiska materialen som finns tillgängliga.
Nu, forskare från Japan har avslöjat fysiken för hur en viktig komponent i en perovskitsolcell fungerar – ett fynd som kan leda till förbättrade solceller eller till och med nyare och bättre material. De beskriver sina experiment i veckans nummer av tidskriften Bokstäver i tillämpad fysik .
"De huvudsakliga studierna har fokuserat på att förbättra [solcells] effektivitet [med perovskite], ", sa Kazuhiro Marumoto från University of Tsukuba. "Men den mikroskopiska mekanismen bakom [hur] dessa solceller [med hjälp av perovskiter fungerar] har inte undersökts helt."
Solceller fungerar genom att omvandla ljusenergi till elektricitet. När en foton träffar perovskiten, till exempel, det slår loss en elektron. Den tomma plats som lämnas av elektronen kallas ett hål, och fungerar som en positivt laddad partikel. Den efterföljande rörelsen av elektronerna och hålen är vad som genererar elektrisk ström.
Eftersom perovskiten själv inte leder rörelsen av hål särskilt bra, solceller kräver ett extra lager av ett håltransportmaterial för att underlätta strömflödet. Ett vanligt material för håltransport är en förening som kallas spiro-OMeTAD. För att öka strömmen ännu mer, forskare lägger till ett litiumsalt som kallas LiTFSI till spiro-OMeTAD. Denna process kallas "dopning".
Spiro-OMeTAD är ett amorft material, vilket ger den några unika egenskaper. De flesta fasta material har väldefinierade elektroniska energiband i vilka elektroner och hål kan röra sig för att transportera genom materialet. Kristaller, till exempel, har ofta bandstrukturer som möjliggör symmetriskt flöde av både elektroner och hål. Men det gör inte amorfa material.
På grund av denna asymmetriska bandstruktur, Hål kan ha svårt att resa genom ett amorft material eftersom de kan fastna i en viss energinivå. Men, enligt teorin, doping spiro-OMeTAD med LiTFSI förhindrar att hålen fastnar.
Elektronpar upptar varje energinivå i spiro-OMeTAD. Men när LiTFSI introduceras, en av dessa elektroner tas bort, lämnar efter sig ett hål på sin plats. Närvaron av det hålet förhindrar att andra hål fastnar på den energinivån, så att de kan röra sig fritt och generera elektrisk ström.
Tidigare, ingen har bekräftat denna process. Men Marumoto och hans kollegor har nu använt elektronspinresonans (ESR) spektroskopi för att visa att denna mekanism är, faktiskt, ansvarig för att förbättra spiro-OMeTADs förmåga att överföra ström.
ESR-spektroskopi mäter spinn för singel, oparade elektroner, vilket är vad som skapas när spiro-OMeTAD dopas med LiTFSI. I experiment utan ljus, forskarna fann att antalet elektronsnurr i spiro-OMeTAD ökade med två storleksordningar efter att ha dopats, bekräftar effekten av LiTFSI.
För att se hur dopning påverkar effektiviteten hos en perovskite/spiro-OMeTAD solcell, forskarna utförde sedan sina experiment på de två materialen som var sammanlagda, med lamporna tända. Ljuset inducerar hål att överföra från perovskit till spiro-OMeTAD och generera elektrisk ström. Forskarna fann att dopning ökade denna hålöverföring, demonstrerar hur LiTFSI förbättrar effektiviteten hos en solcell.
