Одним из самых перспективных материалов для изготовления солнечных панелей являются галогенидные перовскиты — кристаллические соединения, которые обладают высокой светопроницаемостью и электропроводностью. Несмотря на большое количество примесей и дефектов, перовскиты на основе галогенидов свинца, полученные методом растворной обработки, удивительно эффективно преобразуют солнечную энергию в электричество.
Их эффективность приближается к эффективности солнечных элементов на основе кремния, которые являются отраслевым стандартом. В новом исследовании, опубликованном в Nature Communications, физики из Австрийского института науки и технологий (ISTA) дали объяснение механизма, обеспечивающего эффективность этих элементов.
Ученые в ходе исследования обнаружили, что в то время как технология на основе кремния предполагает отсутствие примесей, естественная сеть структурных дефектов в перовскитах обеспечивает дальний перенос заряда, необходимый для эффективного сбора фотоэлектрической энергии.
Эффективный солнечный элемент должен поглощать падающий на него свет и эффективно преобразовывать его в заряды (отрицательно заряженный электрон и положительно заряженную дырку). Затем эти заряды должны накапливаться на электродах солнечного элемента, чтобы генерировать ток. Эти заряды должны преодолеть огромное для них расстояние в сотни микрон. Ученых интересовало, почему природные дефекты в перовскитах не являются проблемой для передачи энергии?
Существуют убедительные доказательства того, что после образования связанного состояния, электроны и дырки в перовскитах очень быстро рекомбинируют. Исследователи предположили, что неучтенные внутренние силы в перовскитах должны разрывать зарождающиеся электронно-дырочные пары и препятствовать их рекомбинации.
Чтобы проверить эту гипотезу, ученые с помощью нелинейно-оптических методов внедрили электроны и дырки глубоко в толщу образца перовскита. Это позволило им обнаружить конечный ток, протекающий в материале в одном и том же направлении каждый раз, когда в него вводилась новая порция электронов и дырок.
Предыдущие исследования перовскитов показали, что такое поведение несовместимо с их внутренней кристаллической структурой. Исследователи из ISTA предположили, что разделение зарядов происходит не равномерно по всему образцу, а локализуется на участках с измененной структурой, которые могут образовывать микроскопические сети, охватывающие весь образец.
Чтобы проверить эту гипотезу, команда вводила электроны и дырки глубоко в объем перовскитов с помощью нелинейных оптических методов. После каждого внедрения частиц ученые наблюдали ток в отсутствие приложенного напряжения. Это подтвердило существование неучтенных факторов, помогающих разделению и переносу заряда.
Внутри перовскитов ученые обнаружили смещения атомов, которые создают домены электрической поляризации — области с одинаковым направлением электрического поля. Между ними расположены стенки-границы, на которых поляризация резко изменяется. Чтобы сделать видимыми, ученые разработали метод «серебряной ангиографии», насыщая материал ионами серебра. Визуализация подтвердила, что локальные поля на стенках растаскивают электроны и дырки в разные стороны, позволяя им, словно по магистралям, дрейфовать вдоль границ, преодолевая большие расстояния без рекомбинации, что и объясняет высокую эффективность перовскитов.
Результаты работы могут помочь исследователям модифицировать перовскиты, чтобы повысить их эффективность, что станет началом нового поколения солнечных батарей.
Ранее Наука Mail рассказала, как наноузоры могут повысить эффективность перовскитных солнечных батарей.
