Когда солнечные элементы преобразуют солнечный свет в электричество, электроны материала внутри элемента поглощают энергию света. Традиционно этим светопоглощающим материалом является кремний, но перовскиты могут оказаться более дешевой альтернативой. Электроны, возбужденные солнечным светом, собираются специальными контактами сверху и снизу ячейки.
Однако, если электроны остаются в материале слишком долго, они могут снова потерять свою энергию. Поэтому для минимизации потерь они должны достигать контактов как можно быстрее.
В этом отношении могут быть полезны микроскопически маленькие структуры в перовскитах – так называемые сегнетоэластичные двойниковые домены: они могут влиять на скорость движения электронов. Это явление обнаружила международная исследовательская группа под руководством Стефана Вебера из Института исследования полимеров Макса Планка в Майнце.
Полосатые структуры, которые исследовали ученые, образуются самопроизвольно во время изготовления перовскита под действием механического напряжения в материале. Объединив два метода микроскопии, исследователи смогли показать, что электроны движутся намного быстрее параллельно полосам, чем перпендикулярно к ним. «Домены действуют как крошечные магистрали для электронов», – сравнивает Стефан Вебер.
Возможные применения в светодиодах и детекторах излучения
Для своих экспериментов исследователям сначала нужно было визуализировать полосатые домены.
Им удалось сделать это с помощью пьезосилового микроскопа (PFM). Пять лет назад Вебер и его коллеги впервые обнаружили домены в кристалле перовскита с помощью этого метода. «Тогда мы уже задавались вопросом, влияют ли структуры на работу перовскитного солнечного элемента», – объясняет Вебер. "Наши последние результаты показывают, что это действительно так."
Прорыв произошел, когда исследователи сравнили свои PFM-изображения с данными, полученными с помощью другого метода, называемого фотолюминесцентной микроскопией. «Наш фотолюминесцентный детектор работает как ловушка для скорости», – объясняет Илка Гермес, исследователь в группе Вебера и первый автор исследования. "Мы используем его для измерения скорости электронов в разных направлениях на микроскопическом уровне."Гермес обнаружил, что вдоль полос электроны движутся примерно на 50-60 процентов быстрее, чем перпендикулярно им. «Если бы мы смогли сделать так, чтобы полосы указывали прямо на электроды, перовскитный солнечный элемент мог бы стать намного более эффективным», – заключает Гермес.
С новыми результатами можно было улучшить не только солнечные элементы. Другие оптоэлектронные приложения, такие как светодиоды или детекторы излучения, также могут выиграть от направленного переноса заряда. «В общем, это преимущество, если мы можем направлять электроны в правильном направлении», – объясняет Стефан Вебер.
Идея исследователей: подвергать кристаллы перовскита механическому воздействию при их производстве. Эта так называемая инженерия деформации позволит оптимизировать ориентацию электронных магистралей.