Исследователи до сих пор не могли до конца объяснить, как перовскиты с большим количеством дефектов могут сравниться по эффективности с кремнием, созданным по максимально точным технологиям. Стало известно, что дефекты формируют не препятствия, а скорее своего рода транспортные пути.
Производство солнечных панелей и батарей ведется уже длительное время, и для их изготовления используются различные материалы. Слои, предназначенные для сбора энергии, могут быть изготовлены как из тщательно выращенного кремния с определенными свойствами легирования, так и из перовскитов. Технология производства и нанесения последних значительно проще кремниевой, приближаясь к процессу, который можно описать как «равномерное распределение по поверхности и сушка». Перовскиты, основанные на галогенидах свинца, эффективно преобразуют солнечную энергию в электричество, даже при наличии значительного количества примесей и дефектов в структуре материала, демонстрируя эффективность, соответствующую отраслевым стандартам.
На протяжении многих лет исследователи искали ответы на вопросы, касающиеся этого явления, однако недавно физики из Австрийского института науки и технологий ( ISTA) ученые предложили всестороннее описание принципов, определяющих высокую эффективность перовскитов, и подтвердили свои результаты экспериментальными данными. Их работа вышла в журнале Nature Communications.
Кремниевые солнечные элементы требуют безупречной внутренней структуры, в то время как для перовскитов это не является обязательным условием. Напротив, именно наличие природной сети структурных дефектов способствует разделению и переносу заряда на значительные расстояния.
Для оптимальной работы солнечного элемента необходимо, чтобы он поглощал падающий свет и обеспечивал эффективное разделение фотонов на электроны с отрицательным зарядом и дырки с положительным зарядом. Образовавшиеся заряды перемещаются к электродам, создавая полезный электрический ток. Тем не менее, в небольших структурах из идеальных перовскитов электроны и дырки склонны к быстрой рекомбинации, то есть взаимной нейтрализации. В то же время, в более крупных образцах они сохраняют раздельное состояние достаточно продолжительное время, позволяя достичь высокой эффективности преобразования солнечной энергии.
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 кристаллической структуре перовскитов, содержащей дефекты, незначительные сдвиги атомов приводят к образованию областей электрической поляризации — участков с однородной поляризацией, внутри материала домены ориентированы одинаково по отношению к электрическому полю. Между этими доменами существуют границы, где поляризация претерпевает резкие изменения. В областях доменных стенок возникают значительные электрические поля и механические деформации. Ученые считают, что доменные стенки, образующие разветвленную структуру по всему объему материала, обеспечивают разделение зарядов.
Для проверки этой гипотезы физики использовали достижения химии и создали уникальный способ электрохимического окрашивания границ доменов. В процессе, известном как «серебряная ангиография», ионы серебра проникают внутрь образца. Они скапливаются на границах доменов, и после того, как материал полностью насыщен, ученые с помощью электрохимических методов переводят ионы в металлический серебро. Благодаря этому границы доменов становятся видимыми в любом сечении материала.
«Когда электронно-дырочная пара формируется вблизи границы домена, локальное электрическое поле разделяет электрон и дырку, перемещая их на противоположные стороны границы. Не имея возможности сразу же рекомбинировать, они способны перемещаться вдоль доменных стенок в течение продолжительного времени, которое с точки зрения носителей заряда кажется бесконечным, и преодолевать значительные расстояния», — пояснил 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.