Выявлен дефект, ограничивающий производительность гибридных перовскитных солнечных элементов

Выявлен дефект, ограничивающий производительность гибридных перовскитных солнечных элементов

Исследователи из отдела материалов инженерного колледжа Калифорнийского университета в Санта-Барбаре обнаружили основную причину ограничений эффективности в новом поколении солнечных элементов.

Различные возможные дефекты в решетке так называемых гибридных перовскитов ранее рассматривались как потенциальная причина таких ограничений, но предполагалось, что органические молекулы (компоненты, ответственные за «гибридное» прозвище) останутся нетронутыми. Современные вычисления показали, что отсутствие атомов водорода в этих молекулах может привести к огромным потерям в эффективности. Результаты опубликованы в статье под названием «Минимизация водородных вакансий для создания высокоэффективных гибридных перовскитов» в номере журнала от 29 апреля. Материалы Природы.


Замечательные фотоэлектрические характеристики гибридных перовскитов вызвали большой интерес, учитывая их потенциал для развития технологий солнечных элементов. «Гибрид» относится к встраиванию органических молекул в решетку неорганического перовскита, которая имеет кристаллическую структуру, аналогичную структуре минерала перовскита (оксида кальция и титана). Эти материалы демонстрируют эффективность преобразования энергии, не уступающую кремнию, но их производство намного дешевле. Однако известно, что дефекты кристаллической решетки перовскита вызывают нежелательное рассеяние энергии в виде тепла, что ограничивает эффективность.

Ряд исследовательских групп изучали такие дефекты, в том числе группа профессора материалов UCSB Криса Ван де Валле, которая недавно совершила прорыв, обнаружив вредный дефект в месте, на которое никто раньше не смотрел: в органической молекуле.

«Иодид свинца метиламмония является прототипом гибридного перовскита», – пояснил Се Чжан, ведущий исследователь проекта. «Мы обнаружили, что на удивление легко разорвать одну из связей и удалить атом водорода в молекуле метиламмония. Образовавшаяся« водородная вакансия »затем действует как сток для электрических зарядов, которые движутся через кристалл после того, как они генерируются падающим светом. на солнечном элементе. Когда эти заряды попадают в свободное место, они больше не могут выполнять полезную работу, например, заряжать или приводить в действие двигатель, что приводит к снижению эффективности “.

Исследование проводилось с помощью передовых вычислительных методов, разработанных группой Ван де Валле. Такие современные расчеты предоставляют подробную информацию о квантово-механическом поведении электронов в материале. Марк Туриански, старший аспирант группы Ван де Валле, принимавший участие в исследовании, помог разработать сложные подходы для преобразования этой информации в количественные значения скорости захвата носителей заряда.

«Наша группа создала мощные методы для определения того, какие процессы вызывают снижение эффективности, – сказал Туриански, – и отрадно видеть, что этот подход дает такую ​​ценную информацию для важного класса материалов».

«Вычисления действуют как теоретический микроскоп, который позволяет нам вглядываться в материал с гораздо более высоким разрешением, чем может быть достигнуто экспериментально», – пояснил Ван де Валль. «Они также составляют основу для рациональной конструкции материалов. Методом проб и ошибок было обнаружено, что перовскиты, в которых молекула метиламмония заменена формамидином, обладают лучшими характеристиками. Теперь мы можем приписать это улучшение тому факту, что образуются водородные дефекты менее легко в соединении формамидиния.

«Это понимание дает четкое обоснование эмпирически установленного мнения о том, что формамидиний необходим для создания высокоэффективных солнечных элементов», – добавил он. «Основываясь на этих фундаментальных открытиях, ученые, которые производят материалы, могут разработать стратегии для подавления вредных дефектов, что позволит дополнительно повысить эффективность солнечных элементов».

0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments