Физики объяснили высокую эффективность перовскитов в преобразовании солнечной энергии
Несмотря на наличие дефектов и примесей, перовскиты на основе галогенидов свинца демонстрируют эффективность в преобразовании солнечного света в электроэнергию, приближаясь к показателям кремниевых солнечных элементов. Учёные из Института науки и технологий Австрии (ISTA) представили первое комплексное объяснение этого феномена. В исследовании использовались нелинейные оптические методы и электрохимическое окрашивание для визуализации внутренней структуры материала.
Ключевой вывод работы заключается в том, что в отличие от кремниевых технологий, где важна чистота материала, именно сеть структурных дефектов в перовскитах обеспечивает дальний перенос заряда, необходимый для эффективного сбора энергии.
Перовскиты — это класс соединений, открытый в 1970-х годах. В начале 2010-х годов было обнаружено, что эти материалы обладают исключительными фотоэлектрическими свойствами. Они также подходят для производства светодиодов, детекторов рентгеновского излучения и визуализации. «Кроме того, эти материалы демонстрируют поразительные квантовые свойства, такие как квантовая когерентность при комнатной температуре», — объясняет Жаныбек Альпишев, профессор ISTA.
Для эффективной работы солнечный элемент должен поглощать свет и преобразовывать его в заряды — электроны и дырки. Эти заряды должны быть собраны на электродах для создания полезного тока. В кремниевых элементах это достигается за счёт максимального уменьшения количества дефектов, которые могут захватывать заряды. В перовскитах, выращенных из растворов, дефектов много. Чтобы объяснить, как заряды преодолевают большие расстояния в таких условиях, учёные ISTA предположили, что внутренние силы в перовскитах разделяют электроны и дырки, не давая им рекомбинировать.
Для проверки гипотезы исследователи ввели электроны и дырки в объём образца перовскита с помощью нелинейных оптических методов. Они обнаружили ток, текущий в одном направлении, даже без приложенного напряжения. Это указало на наличие внутренних сил, разделяющих заряды. Авторы работы предположили, что разделение зарядов происходит не равномерно, а локализовано в «доменных стенках» — местах с изменённой структурой, образующих микроскопические сети.
Для визуализации этих доменных стенок учёные разработали метод электрохимического окрашивания. Они ввели ионы серебра в кристалл перовскита, где те преимущественно накапливались на доменных стенках. Затем ионы серебра были преобразованы в металлическое серебро, что позволило визуализировать сеть под микроскопом. «Изобретённая и реализованная техника очень похожа на ангиографию в живых тканях — за исключением того, что мы изучаем микроструктуру кристалла», — говорит Альпишев.
Таким образом, учёные продемонстрировали существование «магистралей для носителей заряда» внутри перовскитов. Эти магистрали объясняют свойства переноса заряда, которые делают перовскиты эффективными для сбора энергии. Полученные результаты помогут инженерам усовершенствовать перовскиты, чтобы повысить их эффективность, не жертвуя при этом дешевизной производства.