Ученые не полностью понимали, как насыщенные дефектами перовскиты могут соревноваться по эффективности с предельно точно сконструированным кремнием. Оказалось, сети дефектов работают не как ловушки, а как магистрали.
Солнечные панели и батареи изготавливают давно и из разных материалов. Слои, отвечающие именно за сбор энергии, работают и на тщательно выращенном кремнии с четко заданными легированием свойствами, и на перовскитах. Технология производства и нанесения последних намного проще кремниевой, практически до уровня «распределите по поверхности и высушите». Перовскиты на основе галогенидов свинца эффективно перерабатывают солнечную энергию в электричество даже при большом количестве примесей и дефектов в материале, показывая КПД на уровне стандартов отрасли.
Многие годы ученые находили части объяснения этого эффекта, но недавно физики из Института науки и технологий Австрии (ISTA) представили целостное объяснение механизма, лежащего в основе эффективности перовскитов, а также визуализировали свои выводы экспериментально. Их статья вышла в журнале Nature Communications.
Оказалось, пока кремниевые солнечные элементы полагаются на совершенство внутренней структуры, для перовскитов верно обратное. Именно естественная сеть структурных дефектов позволяет разделять и перемещать заряд на большие расстояния.
Эффективный солнечный элемент должен поглощать падающий свет и эффективно разделять его на отрицательно заряженный электрон и положительно заряженную дырку. После заряды путешествуют к электродам, генерируя полезный ток. Однако в небольших образцах идеальных перовскитов электроны и дырки быстро рекомбинируют, компенсируя друг друга. При этом в крупных образцах они остаются разделенными достаточно долго, чтобы показать высокий КПД солнечного элемента.
Исследователи ISTA предположили, что внутри перовскитов действуют неучтенные силы, предотвращающие рекомбинацию. Чтобы проверить эту гипотезу, команда вводила электроны и дырки глубоко в объем перовскитов с помощью нелинейных оптических методов. После каждого внедрения частиц ученые наблюдали ток в отсутствие приложенного напряжения. Это подтвердило существование неучтенных факторов, помогающих разделению и переносу заряда.
В несовершенной структуре перовскитов небольшие смещения атомов создают домены электрической поляризации — области с одинаковой поляризацией, одинаковым направлением электрического поля. Между доменами расположены стенки-границы, на которых поляризация резко изменяется. На доменных стенках в материале возникают сильные электрические поля и механическая деформация. Физики предположили, что доменные стенки, пронизывающие весь материал разветвленной сетью, позволяют зарядам оставаться разделенными.
Чтобы подтвердить это предположение, физики обратились к химии и разработали собственный метод электрохимического окрашивания стенок доменов. Во время «серебряной ангиографии» в объем материала проникают ионы серебра. Они накапливаются на доменных стенках, а после насыщения материала ученые преобразуют ионы в металлическое серебро электрохимическими методами. Это делает стенки видимыми во всем объеме материала.
«Если электрон-дырочная пара создается вблизи доменной стенки, локальное электрическое поле растаскивает электрон и дырку, помещая их по разные стороны стенки. Не имея возможности немедленно рекомбинировать, они могут дрейфовать вдоль доменных стенок в течение времени, которое кажется вечностью по меркам носителей заряда, и преодолевать большие расстояния», — объяснил первый автор статьи Дмитро Рак (Dmytro Rak).
Так ученые продемонстрировали существование «магистралей носителей заряда» внутри перовскитов, делающих их эффективными для сбора солнечной энергии. С целостной картиной физических свойств этих материалов исследователи смогут перейти на новый этап изучения и модификаций их свойств для использования в электронике.