Молекулярният филм разкрива вътрешната работа на новите слънчеви клетки


Кристал от перовскит. Getty Images „Молекулярният филм“ разкрива как перовскитните слънчеви клетки реагират на светлина. Работата може да помогне да се обясни защо тези структури са толкова умели да преобразуват светлината в електричество. Силиконовите соларни устройства остават доминиращата пазарна сила в фотоволтаиката, като за 2016 г. те представляват около 94% от производството на устройства. От откриването им през 2009 г. еф

Кристал от перовскит. Getty Images

„Молекулярният филм“ разкрива как перовскитните слънчеви клетки реагират на светлина. Работата може да помогне да се обясни защо тези структури са толкова умели да преобразуват светлината в електричество.

Силиконовите соларни устройства остават доминиращата пазарна сила в фотоволтаиката, като за 2016 г. те представляват около 94% от производството на устройства.

От откриването им през 2009 г. ефективността на новопоявилото се устройство продължава да се покачва, като се движи от 14% на 20% за по-малко от две години. И все пак, за разлика от неговия силициев аналог, изненадващо малко се знае за това как структурата метал-органо-халид преобразува светлината в електричество.

"Физиката и химията, които са в основата на работата на силициевите слънчеви клетки, са добре разбрани", обяснява Аарон Линденберг от Станфордския университет, САЩ, чийто екип извърши проучването. "Обратно, основните аспекти на уникалната функционалност на хибридните перовскити не са."

Въпреки това физиците разбират всеобхватния процес. Също като силиконово устройство, перовскит тънък филм, обикновено метиламониев оловен йодид (MAPbI3), е поставен между два слоя за екстракция на заряда. При излагане на светлина, дупки и електрони, генерирани в перовскитната решетка, се движат към външните слоеве, създавайки електрически ток. Но никой не разбира как решетката реагира на светлината и, в крайна сметка, защо е толкова ефективен лек комбайн.

За да стане по-трудно, всичко това става във въпрос на фемтосекунди (10-15s). "Това е като да се опитате да разберете как една сложна машина работи, без да можете да виждате основните части, защото те са твърде малки или прекалено бързи", оплаква се Линденберг.

Перовскит филм

Екипът на Линденберг реши да постави този процес под светлината на прожекторите в Станфордския център за линейни ускорители, където се намира един от най-бързите електронни камери в света. Групата за първи път изстреля 40fs лазерен импулс в 40nm-дебел MAPbI3 филм, за да възбуди перовскита. След това те изстрелват електронен лъч в структурата, за да получат дифракционен модел.

Чрез забавяне на времето между гредите, групата може да събере серия от електронни дифракционни снимки и да установи как перовскитната решетка се деформира при светлина. "Нашите измервания показват, че перовските структури се деформират по доста необичаен и неочакван начин", коментира Линденберг.

Перовскитите имат сходна структура с калциевия титанов оксид, като оловните атоми седят в центъра на йодните октаедри. Метиламониевите атоми заемат пространствата между тези октаедри. В рамките на 10 пикосекунди (10-12s) на излагане на светлина, йодните атоми се движат около централните оловни атоми, като същевременно поддържат постоянно разстояние от тях. - Човек може да си представи, че атомите на йода се движат по повърхността на сферата около всяко олово - казва Линденберг.

Остава да се види как тези атомни обороти водят до свободно преминаване на зарядите през филма и обясняване на високата ефективност на перовскитите. Независимо от това, Линденберг се надява електронната камера да продължи да дава „ново, фундаментално разбиране за това как работят тези материали“.

Техниката може също да осветява стабилността на перовскитните клетки, което в крайна сметка ще диктува дали индустрията ще използва устройството, според Lindenberg. Това е известен проблем с технологията, която донякъде задържа пътя на комерсиализацията през последните години.

Ева Унгер, изследовател на фотоволтаици от Университета в Лунд, Швеция, и Helmholtz Zentrum Berlin, Германия, казва, че камерата предоставя уникален начин за изследване на тези материали. "Разбирането на специфичното взаимодействие между фотоволтаичните материали и светлината е от първостепенно значение", казва Унгер. "Тези експериментални резултати позволяват да се разгледа сложният динамичен отговор на метални халогенидни перовскити при поглъщане на фотони."

Тази статия е възпроизведена с разрешение от Chemistry World. Статията е публикувана за първи път на 3 август 2017 г.