Gratis laddningsbärare i perovskitsolceller har sannolikt en speciell form av skydd mot rekombination, har forskare vid Forschungszentrum Jülich upptäckt med hjälp av innovativa fotoluminescensmätningar.
Mycket effektiva och relativt billiga att producera – perovskitsolceller har varit föremål för upprepade överraskningar de senaste åren. Forskare vid Forschungszentrum Jülich har nu upptäckt ytterligare en speciell egenskap hos cellerna med hjälp av en ny fotoluminescensmätningsteknik.
De fann att förlusten av laddningsbärare i denna typ av celler följer andra fysiska lagar än de som är kända för de flesta halvledare. Detta kan vara en av huvudorsakerna till deras höga effektivitet. Resultaten publicerades i tidskriften Nature Materials .
Perovskite solceller anses vara mycket lovande för solceller, även om deras stabilitet lämnar mycket övrigt att önska. Celler av denna typ är billiga att skriva ut och mycket effektiva. Under det senaste decenniet har deras effektivitet fördubblats till mer än 25 % och är därför för närvarande i nivå med konventionella solceller gjorda av kisel. Ytterligare förbättringar verkar också vara möjliga i framtiden.
"En viktig faktor här är frågan om hur länge exciterade laddningsbärare finns kvar i materialet, med andra ord deras livstid", förklarar Thomas Kirchartz. "Att förstå processerna är avgörande för att ytterligare förbättra effektiviteten hos perovskitbaserade solceller." Elingenjören är chef för en arbetsgrupp för organiska och hybrida solceller vid Forschungszentrum Jülichs Institute of Energy and Climate Research (IEK-5).
I en solcell lösgörs elektroner av fotoner och höjs till en högre energinivå från valensbandet till ledningsbandet. Först då kan de röra sig mer fritt och flöda genom en extern krets. De kan bara bidra till generering av elektrisk energi om deras livslängd är tillräckligt lång för att de ska kunna passera genom absorbatormaterialet till den elektriska kontakten. En exciterad elektron lämnar också ett hål i det underliggande valensbandet – en mobil tomhet som kan flyttas genom materialet som en positiv laddningsbärare.
Det är främst defekter i kristallgittret som ser till att exciterade elektroner snabbt faller tillbaka till lägre energinivåer igen. De elektroner som påverkas kan då inte längre bidra till strömflödet. "Denna mekanism är också känd som rekombination och är den huvudsakliga förlustprocessen för varje solcell", säger Kirchartz.
Ingen solcell är perfekt på atomnivå; var och en har olika typer av defekter på grund av tillverkningsprocessen. Dessa defekter eller främmande atomer i gitterstrukturen är samlingspunkterna där elektroner och hål tenderar att mötas. Elektronerna faller sedan tillbaka i valensbandet och blir värdelösa när det gäller elproduktion.
"Man hade tidigare antagit att rekombination övervägande utlöses av defekter som är energetiskt placerade i mitten mellan valens- och ledningsbanden. Detta beror på att dessa djupa defekter är lika tillgängliga för exciterade elektroner och deras motsvarigheter, hålen", säger Kirchartz. Detta är sannolikt sant för de flesta typer av solceller.
Kirchartz och hans team har dock nu motbevisat detta antagande för perovskitsolceller och visat att de ytliga defekterna i slutändan är avgörande för deras slutliga effektivitet. Till skillnad från de djupa defekterna är de inte placerade i mitten av bandgapet, utan mycket nära valens- eller ledningsbandet.
"Orsaken till detta ovanliga beteende är ännu inte helt klarlagt", tillägger Kirchartz. "Det är rimligt att anta att djupa defekter helt enkelt inte kan existera i dessa material. Denna begränsning kan också vara en av anledningarna till cellernas särskilt höga effektivitet."
Observationen möjliggjordes endast av innovativa transienta fotoluminescensmätningar. I tidigare mätningar var det inte möjligt att särskilja förlustprocesser orsakade av ytliga defekter från de som orsakats av andra faktorer.
Den nya mätmetoden utvecklad av Thomas Kirchartz och hans team på Forschungszentrum Jülich levererar data med ett avsevärt ökat dynamiskt omfång jämfört med konventionell teknik, det vill säga data över ett större mätområde och med bättre fingradering. Processen är baserad på en liknande princip som HDR-bilder i hög dynamiskt omfångskvalitet. Kamerans dynamiska omfång ökas genom att överlagra olika bilder eller mätningar – i det här fallet signaler med olika förstärkningsnivåer – för att skapa en datamängd.
Mer information: Ye Yuan et al, Grunda defekter och variabla fotoluminescensavklingningstider upp till 280 µs i trippelkatjonperovskiter, Naturmaterial (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01771-2
Journalinformation: Naturmaterial
Tillhandahålls av Forschungszentrum Juelich
