Less Innocent Than It Looks: Hydrogen In Hybrid Perovskites: Researchers Identify The Defect That Limits Solar-cell Performance

Перевидано Платоном

читають: 0

Головна > прес > Менш невинний, ніж виглядає: водень у гібридних перовскітах: дослідники виявили дефект, який обмежує продуктивність сонячних елементів

A hydrogen vacancy (the black spot left of center) created by removing hydrogen from a methylammonium molecule, traps carriers in the prototypical hybrid perovskite, mehtylammonium lead iodide CH3NH3Pbl3 CREDIT Xie Zhang

Анотація:
Дослідники з відділу матеріалів Інженерного коледжу Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі виявили основну причину обмеження ефективності сонячних елементів нового покоління.

Менш невинно, ніж здається: Водень у гібридних перовскітах: Дослідники виявляють дефект, який обмежує роботу сонячних елементів

Санта-Барбара, Каліфорнія | Опубліковано 30 квітня 2021 р

Різні можливі дефекти в решітці так званих гібридних перовскітів раніше вважалися потенційною причиною таких обмежень, але передбачалося, що органічні молекули (компоненти, відповідальні за «гібридний» псевдонім) залишаться недоторканими. Передові обчислення показали, що відсутність атомів водню в цих молекулах може спричинити значні втрати ефективності. Висновки опубліковані в статті під назвою «Мінімізація водневих вакансій для створення високоефективних гібридних перовскітів» у номері журналу Nature Materials за 29 квітня.

Надзвичайна фотоелектрична продуктивність гібридних перовскітів викликала велике хвилювання, враховуючи їхній потенціал у розвитку технології сонячних елементів. «Гібридний» означає вбудовування органічних молекул у неорганічну решітку перовскіту, яка має кристалічну структуру, подібну до структури мінералу перовскіту (оксиду титану кальцію). Ці матеріали демонструють ефективність перетворення електроенергії, що конкурує з кремнієм, але вони набагато дешевші у виробництві. Однак відомо, що дефекти кристалічної решітки перовскіту створюють небажане розсіювання енергії у вигляді тепла, що обмежує ефективність.

Кілька дослідницьких груп вивчали такі дефекти, серед них група професора з матеріалів UCSB Кріса Ван де Валле, яка нещодавно досягла прориву, виявивши згубний дефект у місці, куди ніхто раніше не звертав уваги: на органічній молекулі.

«Йодид свинцю метиламонію є прототипом гібридного перовскіту», — пояснив Се Чжан, провідний дослідник проекту. «Ми виявили, що напрочуд легко розірвати один із зв’язків і видалити атом водню в молекулі метиламонію. Отримана «воднева вакансія» тоді діє як поглинач для електричних зарядів, які рухаються через кристал після того, як вони генеруються світлом, що падає на сонячний елемент. Коли ці заряди потрапляють на вакансію, вони більше не можуть виконувати корисну роботу, наприклад заряджати акумулятор або живити двигун, отже, втрачається ефективність».

Дослідження було проведено завдяки передовій обчислювальній техніці, розробленій групою Ван де Валле. Такі сучасні розрахунки дають детальну інформацію про квантово-механічну поведінку електронів у матеріалі. Марк Туріанскі, старший аспірант групи Ван де Валле, який брав участь у дослідженні, допоміг розробити складні підходи для перетворення цієї інформації на кількісні значення для швидкості захоплення носіїв заряду.

«Наша група створила потужні методи для визначення того, які процеси спричиняють втрату ефективності, — сказав Туріанскі, — і приємно бачити, що цей підхід дає такі цінні відомості щодо важливого класу матеріалів».

«Обчислення діють як теоретичний мікроскоп, який дозволяє нам вдивлятися в матеріал із набагато вищою роздільною здатністю, ніж можна досягти експериментально», — пояснив Ван де Валле. «Вони також формують основу для раціонального дизайну матеріалів. Шляхом проб і помилок було виявлено, що перовскіти, в яких молекула метиламонію замінена формамідінієм, демонструють кращі характеристики. Тепер ми можемо пояснити це покращення тим фактом, що водневі дефекти утворюються менш легко у з’єднанні формамідинію.

«Це розуміння дає чітке обґрунтування емпірично встановленої мудрості про те, що формамідиній необхідний для створення високоефективних сонячних батарей», — додав він. «Грунтуючись на цих фундаментальних ідеях, вчені, які виготовляють матеріали, можуть розробити стратегії для придушення шкідливих дефектів, підвищуючи додаткове підвищення ефективності сонячних елементів».

# # #

Фінансування цього дослідження надано Управлінням науки Департаменту енергетики та Управлінням фундаментальних енергетичних наук. Розрахунки проводилися в Національному науково-обчислювальному центрі енергетичних досліджень.

####

Для отримання додаткової інформації натисніть тут

Контакти:
Джеймс Бедхем

@ucsantabarbara

Якщо у вас є коментар, будь ласка Контакти нам.

Видавці випусків новин, а не 7th Wave, Inc. або Nanotechnology Now, несуть повну відповідальність за точність змісту.

Закладка: