Nowe badania wykazują duże nadzieje na poprawę wydajności ogniw słonecznych

Nowe badania pokazują wielką obietnicę dla nieorganicznych perowskitowych ogniw słonecznych w celu poprawy wydajności ogniw słonecznych.

Organiczny i nieorganiczny perowskit hybrydowy wykazał już bardzo wysoką wydajność w ogniwach fotowoltaicznych, przekraczającą 25%. Dominująca wiedza w tej dziedzinie jest taka, że ​​cząsteczki organiczne (zawierające węgiel i wodór) w materiale są niezbędne do osiągnięcia tej niesamowitej wydajności, ponieważ uważa się, że zapobiegają rekombinacji nośnika wspomaganej defektami.

Nowe badania w Departamencie Materiałów na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara pokazują nie tylko, że to założenie jest błędne, ale także, że wszystkie materiały nieorganiczne mają potencjał, aby przewyższyć perowskit hybrydowy. Wyniki zostały opublikowane w artykule zatytułowanym „All-inorganic halogenide perovskites jako kandydaci do wydajnych ogniw słonecznych”, który ukazał się na okładce czasopisma z 20 października 2021 roku. Raporty komórkowe Nauki fizyczne.

„Aby porównać materiały, przeprowadziliśmy obszerne symulacje mechanizmów rekombinacji” – wyjaśnił Xie Zhang, główny badacz badania. „Kiedy światło pada na materiał ogniwa słonecznego, fotogenerowane nośniki generują prąd; rekombinacja przy defektach niszczy niektóre z tych nośników, a tym samym zmniejsza wydajność. W ten sposób defekty działają jak zabójca wydajności. „

Aby porównać perowskit nieorganiczny i hybrydowy, naukowcy zbadali dwa podstawowe materiały modelowe. Obie substancje zawierają atomy ołowiu i jodu, ale w jednej substancji strukturę krystaliczną dopełnia nieorganiczny pierwiastek cez, aw drugiej organiczna cząsteczka metyloamon.

Eksperymentalne uporządkowanie tych procesów jest bardzo trudne, ale najnowsze obliczenia mechaniki kwantowej mogą dokładnie przewidzieć tempo rekombinacji, dzięki nowej metodologii opracowanej przez profesora Chrisa Van de Waala z UCSB Materials Group, który przypisuje Markowi. Turiansky, doktorant w grupie, pomaga napisać kod do obliczania szybkości rekombinacji.

„Nasze metody są bardzo skuteczne w identyfikowaniu defektów, które powodują utratę nośnika”, powiedział Turiansky. „To ekscytujące widzieć podejście zastosowane do jednego z kluczowych problemów naszych czasów, wydajnego wytwarzania energii odnawialnej”.

Przeprowadzenie symulacji wykazało, że wspólne defekty obu materiałów skutkują porównywalnymi (i stosunkowo łagodnymi) poziomami rekombinacji. Jednak cząsteczka organiczna może zdysocjować w hybrydowym perowskicie; Gdy następuje utrata atomów wodoru, powstałe „wakaty” poważnie zmniejszają wydajność. Zatem obecność cząsteczki jest szkodliwa dla ogólnej wydajności materiału, a nie jest atutem.

Dlaczego zatem nie obserwuje się tego doświadczalnie? Wynika to głównie z trudności w uprawie wysokiej jakości warstw materiałów całkowicie nieorganicznych. Mają tendencję do przyjmowania innych struktur krystalicznych, a wzmocnienie tworzenia pożądanej struktury wymaga większego wysiłku eksperymentalnego. Ostatnie badania wykazały jednak, że uzyskanie preferowanej struktury jest z pewnością możliwe. Trudność ta wyjaśnia jednak, dlaczego perowskit nieorganiczny nie cieszył się dotąd tak dużą uwagą.

„Mamy nadzieję, że nasze odkrycia dotyczące oczekiwanej wydajności pobudzą dalsze działania ukierunkowane na produkcję nieorganicznego perowskitu” – podsumował Van de Waale.

Odniesienie: „Completely Inorganic Halide Perovskite as Candidates for Efficient Solar Cells” Xie Zhang, Mark E. Turiansky i Chris G. Van de Walle, 11 października 2021 r., Dostępne tutaj. Raporty komórkowe Nauki fizyczne.
DOI: 10.1016 / j.xcrp.2021.100604

Badania te były finansowane przez Departament Energii, Biuro Naukowe, Biuro Podstawowych Nauk Energetycznych; Obliczenia wykonano w Naukowym Centrum Informatycznym Krajowych Badań Energetycznych.