Исследователи объединили ультрафиолетовую фотоэлектронную спектроскопию и низкоэнергетическую обратную фотоэлектронную спектроскопию для измерения ключевых энергетических свойств типичных материалов.
За последнее десятилетие перовскитные солнечные элементы (PSC) вышли на передний план в области возобновляемой энергетики следующего поколения, сочетая высокую эффективность преобразования энергии с недорогим производством на основе готовых решений. Их легкая конструкция также открывает возможности применения за пределами традиционных панелей, включая интеграцию в окна, транспортные средства и портативные устройства.
Важным шагом вперед стало внедрение монослоев, собирающих дырки (HCM), — сверхтонких межфазных слоев, которые извлекают положительные заряды из перовскита. Эти материалы помогли повысить эффективность однопереходных перовскитных солнечных элементов до 26,9%, одновременно улучшив их стабильность.
Тем не менее, основные физические принципы остаются недостаточно изученными – в частности, вопрос о том, как выравниваются энергетические уровни на границе раздела электрод–HCM–перовскит, до сих пор является предметом дискуссий. Многочисленные конкурирующие модели используются непоследовательно, что затрудняет прогнозирование характеристик или разработку новых материалов без проб и ошибок.
Раскрытие ключевых физических принципов работы перовскитных солнечных элементов.
Для решения этой проблемы группа исследователей из Университета Тиба разработала первую универсальную модель выравнивания энергетических уровней на границе раздела электрод/HCM/перовскит, устранив тем самым ключевой пробел в исследованиях перовскитных солнечных элементов. Исследование, проведенное под руководством профессора Хироюки Йошиды, предлагает последовательную модель, объясняющую, как работают монослои, собирающие дырки, в различных материальных системах, и предоставляет рекомендации по проектированию для повышения производительности устройств.
Исследователи объединили ультрафиолетовую фотоэлектронную спектроскопию и низкоэнергетическую обратную фотоэлектронную спектроскопию для измерения ключевых энергетических свойств в типичных материалах. Это позволило точно определить такие параметры, как работа выхода и энергия ионизации, улучшив понимание поведения заряда на критически важных границах раздела.
Новая модель разделяет границу раздела электрод/HCM/перовскит на две отдельные области, чтобы лучше объяснить поведение заряда. На границе электрод–HCM выравнивание энергии определяется преимущественно межфазным диполем — электрическим полем, образованным ориентированными молекулярными диполями монослоя, собирающего дырки.
В противоположность этому, граница HCM–перовскит описывается с использованием теории полупроводниковых гетеропереходов, стандартной концепции в электронике для понимания того, как два материала с разными энергетическими уровнями взаимодействуют при соединении.
Модель прогнозирует характеристики перовскитных солнечных элементов в различных материалах.
По словам исследователей, эффективность сбора дырок в перовскитных солнечных элементах контролируется двумя ключевыми факторами. Первый — это изгиб зон, постепенное изменение уровней энергии, вызванное встроенными электрическими полями на границах раздела материалов. Второй — это высота энергетического барьера на границе раздела, которая описывает несоответствие энергий, способное либо поддерживать, либо препятствовать переносу заряда между слоями.
Йошида отмечает, что эти эффекты зависят лишь от нескольких фундаментальных параметров, включая работу выхода электрода, а также работу выхода и энергию ионизации HCM и перовскита. Используя этот ограниченный набор данных, модель последовательно объясняет, почему одни материалы HCM демонстрируют лучшие характеристики, чем другие.
Команда дополнительно подтвердила достоверность результатов, сравнив их с экспериментальными данными для широкого спектра комбинаций материалов. В совокупности исследование предлагает практические рекомендации по разработке более эффективных материалов для солнечных технологий следующего поколения.
Йошида отметил, что предложенная модель обеспечивает четкие правила отбора и принципы молекулярного дизайна для монослоев, собирающих дырки, помогая оптимизировать выравнивание энергии на границе раздела фаз, одновременно сокращая время и стоимость разработки. В свою очередь, это может обеспечить более высокую эффективность преобразования энергии и более воспроизводимые характеристики устройств в различных материальных системах.
Sourse: interestingengineering.com
