Устройство и эффективность перовскитных солнечных элементов

Особенности структуры и производства

Солнечные панели и батареи изготавливаются из различных материалов, включая тщательно выращенный кремний с заданными легирующими свойствами и перовскиты. Технология производства и нанесения перовскитных слоёв значительно проще по сравнению с кремниевыми аналогами, что позволяет упростить процесс до уровня распределения материала по поверхности и его высушивания. Перовскиты на основе галогенидов свинца способны эффективно преобразовывать солнечную энергию в электричество даже при наличии большого количества примесей и дефектов, демонстрируя показатели эффективности, сопоставимые с отраслевыми стандартами.

Механизм работы и роль дефектов

В отличие от кремниевых солнечных элементов, эффективность которых зависит от совершенства внутренней структуры, перовскиты используют естественную сеть структурных дефектов. Эти дефекты не выступают ловушками для носителей заряда, а формируют своеобразные магистрали, по которым заряды могут перемещаться на значительные расстояния. В идеальных образцах перовскитов электроны и дырки быстро рекомбинируют, однако в крупных образцах с развитой сетью дефектов они остаются разделёнными достаточно долго для генерации полезного тока.

Экспериментальные исследования

Физики из Института науки и технологий Австрии (ISTA) провели исследования, направленные на объяснение высокой эффективности перовскитов. В ходе экспериментов с использованием нелинейных оптических методов в материал вводились электроны и дырки, после чего фиксировался ток даже без приложенного напряжения. Это подтвердило наличие внутренних факторов, способствующих разделению и переносу заряда.

В структуре перовскитов небольшие смещения атомов формируют домены электрической поляризации, между которыми располагаются доменные стенки — области с резкой сменой направления электрического поля. На этих стенках возникают сильные электрические поля и механические деформации, что позволяет зарядам оставаться разделёнными и перемещаться вдоль разветвлённой сети доменных границ.

Визуализация структуры

Для подтверждения гипотезы о роли доменных стенок был разработан метод электрохимического окрашивания, при котором ионы серебра проникают в материал и накапливаются на доменных стенках. После электрохимического преобразования ионов в металлическое серебро эти структуры становятся видимыми во всём объёме материала.

Значение для солнечной энергетики

Если электронно-дырочная пара возникает вблизи доменной стенки, локальное электрическое поле разделяет носители заряда по разные стороны границы, препятствуя их быстрой рекомбинации. Это позволяет зарядам длительное время перемещаться вдоль доменных стенок и преодолевать большие расстояния, что способствует высокой эффективности преобразования солнечной энергии.

Данные исследования подтверждают существование в перовскитах разветвлённых путей для переноса заряда, что делает эти материалы перспективными для дальнейшего изучения и модификации их свойств с целью применения в электронике.