Das Team misst direkt, wie Perowskit-Solarfilme Licht effizient in Strom umwandeln

Lazer Team (Juni 2019).

Anonim

Solarzellen, die mit Filmen hergestellt wurden, die die Struktur des Minerals Perowskit nachahmen, stehen im Mittelpunkt der weltweiten Forschung. Aber erst jetzt haben Forscher der Case Western Reserve University direkt gezeigt, dass die Filme eine Schlüsseleigenschaft besitzen, die es ihnen ermöglicht, Sonnenlicht effizient in Elektrizität umzuwandeln.

Die Identifizierung dieses Attributs könnte zu effizienteren Solarzellen führen.

Elektronen, die erzeugt werden, wenn Licht auf den Film auftrifft, sind nicht durch Korngrenzen - die Ränder von kristallinen Untereinheiten innerhalb des Films - begrenzt und können lange Strecken zurücklegen, ohne sich zu verschlechtern, zeigten die Forscher. Das heißt, dass elektrische Ladungsträger, die in anderen Materialien gefangen und zerfallen, stattdessen als Strom abziehbar sind.

Die Wissenschaftler haben die zurückgelegte Entfernung - die so genannte Diffusionslänge - erstmals mit der Technik der "räumlich gescannten Photostrom-Mikroskopie" gemessen. Diffusionslänge innerhalb eines gut orientierten Perowskitfilms, gemessen bis zu 20 Mikrometer.

Die Ergebnisse, die in der Zeitschrift Nano Letters veröffentlicht wurden, zeigen, dass Solarzellen dicker gemacht werden könnten, ohne ihre Effizienz zu beeinträchtigen, sagte Xuan Gao, außerordentlicher Professor für Physik und Autor des Artikels.

"Eine dickere Zelle kann mehr Licht absorbieren", sagte er, "was möglicherweise zu einer besseren Solarzelle führt."

Effizienz eingebaut

Sonnenenergie-Forscher glauben, dass Perowskit-Filme vielversprechend sind. In weniger als fünf Jahren haben Filme, die mit der kristallinen Struktur hergestellt wurden, die Effizienz von 20 Prozent bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität übertroffen. Diese Marke dauerte Jahrzehnte, um mit heute verwendeten Silizium-basierten Solarzellen zu erreichen.

In dieser Arbeit führte Gaos Labor räumlich gerasterte Messungen des Photostroms an Filmen durch, die im Labor von Case Western Reserve Chemiker Professor Clemens Burda gemacht worden waren.

Perowskit Mineralien in der Natur sind Oxide bestimmter Metalle, aber Burdas Labor machte organo-metallische Filme mit der gleichen kristallinen Struktur mit Methyl-Ammonium-Blei-Tri-Jodid (CH3NH3PBI3), ein dreidimensionales Bleihalogenid umgeben von kleinen organischen Methyl-Ammonium-Moleküle, die halten die Gitterstruktur zusammen.

"Die Frage war:" Wie sind diese Solarzellen so effizient? Wenn wir das wüssten, könnten wir die Perowskit-Solarzellen weiter verbessern ", sagte Burda. "Die Leute dachten, es könnte an einem ungewöhnlich langen Elektronentransport liegen, und wir haben es direkt gemessen."

Die Diffusionslänge ist die Entfernung, die ein Elektron oder sein Gegenteil, ein Loch genannt, von der Erzeugung bis zur Rekombination zurücklegt oder als elektrischer Strom extrahiert wird. Die Entfernung ist die gleiche wie die Transportlänge, wenn kein elektrisches Feld (das normalerweise die zurückgelegte Strecke erhöht) angewendet wird.

Reise messen

Die Labors wiederholten Messungen, indem sie einen winzigen Laserfleck auf Filme von 8 Millimetern im Quadrat und 300 Nanometer Dicke fokussierten. Die Filme wurden stabil gemacht, indem der Perowskit mit einer Schicht des Polymers Parylen beschichtet wurde.

Das Licht erzeugt Elektronen und Löcher, und der Photostrom oder Elektronenstrom wird zwischen den Elektroden aufgezeichnet, die etwa 120 Mikrometer voneinander entfernt positioniert sind, während der Film in zwei senkrechten Richtungen abgetastet wird. Die Abtastung liefert eine zweidimensionale räumliche Karte der Trägerdiffusions- und Transporteigenschaften.

Die Messungen zeigten eine Diffusionslänge von durchschnittlich etwa 10 Mikron. In einigen Fällen, die Länge erreicht 20 Mikrometer, zeigt die funktionale Fläche des Films ist mindestens 20 Mikrometer lang, die Forscher sagten.

In einigen Materialien verringern Korngrenzen die Leitfähigkeit, aber die Bildgebung zeigte, dass diese Grenzflächen zwischen den Körnern in dem Film keinen Einfluss auf die Elektronenwanderung hatten. Gao und Burda sagen, dass dies daran liegen könnte, dass Körner in dem Film gut ausgerichtet sind, was keine Impedanz oder andere nachteilige Auswirkungen auf Elektronen oder Löcher verursacht.

Burda und Gao suchen nun nach Bundesmitteln, um mithilfe der Mikroskopietechnik zu bestimmen, ob verschiedene Korngrößen, Orientierungen, Halogenid-Perowskit-Zusammensetzungen, Filmdicken und mehr die Filmeigenschaften verändern, um die Forschung auf diesem Gebiet weiter zu beschleunigen.

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